Mesin Listrik - D3 [PDF]

Citation preview

Mesin Listrik



Disusun Oleh : Drs. Sofian Yahya SST., MT NIP : 19591226 198603 1 004



PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2017



RENCANA PEMBELAJARAN SEMESTER PROGRAM STUDI D3 TEKNIK LISTRIK



No. Dokumen



RPS/R1/16TLI3052/2016



Berlaku Sejak



1 September 2016



Revisi Halaman



01 1 dari 5



RENCANA PEMBELAJARAN SEMESTER Nama Mata Kuliah Semester Jurusan Dosen Pengampu



: Mesin Listrik :3 : Teknik Elektro : Sofian Yahya



Kode MK SKS Prodi



: 16TLI3512 : 2 : D-III Teknik Listrik



Capaian Pembelajaran Lulusan yang dibebankan : 1. PP.1 Menguasai konsep teoritis secara umum listrik dan instalasi kelistrikan serta peralatannya sampai tegangan menengah. 2. PP5. Menguasai pengetahuan tentang standard dan prosedur yang berlaku di bidang kelistrikan 3. KK6.Mampumengoperasikan dan mengendalikan peralatan dan mesin listrik dengan menggunakan peralatan berbasis teknologiVSD( Variable Speed Drive), kendali terprogram, sistem terkomputerisasi, dan teknologi informasi 4. KKU3. Mampu memecahkan masalah pekerjaan dengan sifat dan konteks yang sesuai dengan bidang keahlian terapannya didasarkan pada pemikiran logis, inovatif, dan bertanggung jawab atas hasilnya secara mandiri. Hasil Belajar Mata Kuliah Yang Diharapkan : Mampu memahami prinsip dan parameter mesin listrik dengan metode deskriptif mandiri .



dan dapat menunjukan hasil sesuai yang dimaksud dalam kondisi



RENCANA PEMBELAJARAN SEMESTER PROGRAM STUDI D3 TEKNIK LISTRIK



No. Dokumen



RPS/R1/16TLI3052/2016



Berlaku Sejak



1 September 2016



Revisi Halaman



01 2 dari 5



Ming gu ke



Kemampuan Akhir Yang Diharapkan



Bahan Kajian



Bentuk Pembelajaran



Waktu



Pengalaman Belajar Mahasiswa



1 1-4



2



3 BK 110 : Transformator ; prinsip kerja, regulasi tegangan, effisiensi, transformator 1 phasa dan 3 phasa, parallel transformator dan hubungan jam.



4



6 4x100 menit



7 TM: Menyimak materi dan aktif diskusi di kelas



PT: Mengerjakan tugas SOAL; regulasi tegangan, effisiensi,



4x120 menit



PT: mencari Jawaban SOAL; regulasi tegangan, effisiensi,



Mandiri (M) Mencari contoh SOAL; yang berhubungan regulasi tegangan, effisiensi,



4x120 menit



Mandiri (M): mengaitkan materi dg bhn kajian atau lain Mencari sumber informasi ilmiah (referensi, karya ilmiah) yg disarankan



Mampu mengidentifikasi parameter ,rangkaian ekivalen,regulasi dan efesiensi Transformator



Tatap Muka (TM) : Ceramah & Diskusi



Kriteria Penilaian dan Indikator Kelulusan Kriteria Indikator Penilaian 8 Mahasiswa Indikator: mendeskripsi memahami apa kan dengan yang harus benar regulasi dipelajari dan tegangan, dilakukan effisiensi, dari Trafo Dpt memberi contoh persoalan Trafo Kriteria: paham apa yg harus dilakukan, materi pendukung terkumpul



Bobot



Refere nsi



9 25%



10



RENCANA PEMBELAJARAN SEMESTER PROGRAM STUDI D3 TEKNIK LISTRIK



5-8



Mampu menjelaskan prinsip kerja, jenis-jenis, karakteristik, rangkaian pengganti. Motor DC dan Generator DC



BK 111 : Motor DC dan Generator DC; prinsip kerja, jenis-jenis, karakteristik, rangkaian pengganti.



Tatap Muka (TM) : Ceramah & Diskusi Mengenai : prinsip kerja, jenis-jenis, karakteristik, rangkaian pengganti dan efesiensi



4x100 menit



4x120 menit



4x120 menit



9



. Uji Tengah Semester



No. Dokumen



RPS/R1/16TLI3052/2016



Berlaku Sejak



1 September 2016



Revisi Halaman



01 3 dari 5



TM: Menyimak materi dan aktif diskusi di kelas



Mahasiswa mendeskripsi kan dengan benar starting,rugiPT: Mengerjakan rugi ,efesiensi tugas soal dan starting,rugi-rugi karakteristik ,efesiensi dan karakteristik Mandiri (M): mengaitkan materi dg bhn kajian atau lain.



Kuantitatif : Kebenaran dan kejelasan dalam mendeskripsika n starting,rugirugi ,efesiensi dan karakteristik



25%



RENCANA PEMBELAJARAN SEMESTER PROGRAM STUDI D3 TEKNIK LISTRIK



10-12 Mampu menjelaskan prinsip kerj Motor induksi dan motor sinkron; a, karakteristik, rangkaian pengganti, analisa daya dan torsi, effisiensi,



BK 112 : Motor induksi dan motor sinkron; prinsip kerja, karakteristik, rangkaian pengganti, analisa daya dan torsi, effisiensi, pengaturan kecepatan, diagram lingkaran



Tatap Muka (TM) : Ceramah & Diskusi PT: Mengerjakan tugas prinsip kerja, karakteristik, rangkaian pengganti, analisa daya dan torsi, effisiensi, Mandiri (M) Mencari contoh dari lingkungan, Motor induksi dan motor sinkron



3x100 menit



3x120 menit



3x120 menit



No. Dokumen



RPS/R1/16TLI3052/2016



Berlaku Sejak



1 September 2016



Revisi Halaman



01 4 dari 5



TM: Menyimak materi dan aktif diskusi di kelas



Mahasiswa mendeskripsika n dengan benar prinsip kerja, karakteristik, PT: Mengerjakan rangkaian tugas soal pengganti, starting,rugi-rugi analisa daya ,efesiensi dan dan torsi, karakteristik effisiensi, pengaturan kecepatan, Mandiri (M): mengaitkan materi dg bhn kajian atau lain.



Kuantitatif : Kebenaran dan kejelasan dalam mendeskripsi starting,rugirugi,torsi,efesie nsi dan karakteristik



25%



RENCANA PEMBELAJARAN SEMESTER PROGRAM STUDI D3 TEKNIK LISTRIK



13-15 Mampu menjelaskan dan memahami Generator Induksi dan generator sinkron



16



BK 113 : Generator Induksi dan generator sinkron ; prinsip kerja, karakteristik, rangkaian pengganti, pengaturan tegangan, frekuensi dan daya, regulasi tegangan, effisiensi dan kerja parallel



Ujian Akhir Semester



Tatap Muka (TM) : Ceramah & Diskusi PT: tugas, karakteristik, rangkaian pengganti, pengaturan tegangan, frekuensi dan daya, regulasi tegangan, effisiensi dan kerja parallel Mandiri (M) Mencari contoh dari Generator Induksi dan generator sinkron



3x100 menit



3x120 menit



3x120 menit



No. Dokumen



RPS/R1/16TLI3052/2016



Berlaku Sejak



1 September 2016



Revisi Halaman



01 5 dari 5



TM: Menyimak materi dan aktif diskusi di kelas



Mahasiswa mendeskripsika n dengan benar aspek teknis Generator PT: Mengerjakan Induksi dan tugas generator menjelaskan sinkron Generator Induksi dan generator sinkron



Mandiri (M): mengaitkan materi dg bhn kajian atau lain, terkait aspek Generator Induksi dan generator sinkron



25% Kuantitatif : Kebenaran perhitungan dan kejelasan hasil analisis Kualitatif : Kualitas deskripsi dan analisa



BAB I



PENDAHULUAN Tujuan Pembelajaran Umum : Memahami prinsip konversi energi elektromekanik sebagai prinsip dasar dari mesin listrik. Tujuan Pembelajaran Khusus: 1. 2.



Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip konversi energi elektromekanik dengan benar Mahasiswa mampu menyebutkan jenis-jenis mesin listrik yang banyak digunakan di industri dan pembangkit tenaga listrik.



Lembar Informasi : Prinsip dasar dari sebuah mesin listrik adalah konversi energi elektromekanik, yaitu konversi dari energi listrik ke energi mekanik atau sebaliknya dari energi mekanik ke energi listrik. Alat yang dapat mengubah (mengkonversi) energi mekanik ke energi listrik disebut generator, dan apabila mesin melakukan proses konversi sebaliknya yaitu dari energi listrik ke energi mekanik disebut motor. Selain generator dan motor, transformator juga termasuk alat listrik yang menjadi bahasan pada saat mempelajari mesin listrik, meskipun energi yang masuk dan yang keluar dari transformator sama yaitu energi listrik. Pada transformator energi listrik yang diberikan pada lilitan akan mengakibatkan timbulnya medan magnet pada inti besi dan selanjutnya diubah kembali menjadi energi listrik. Mesin listrik mulai dikenal tahun 1831 dengan adanya penemuan oleh Michael Faraday mengenai induksi elektromagnetik Gambar 1.1 Pembangkit Tenaga Listrik



yang menjadi prinsip kerja motor listrik. Percobaan mengenai konsep mesin listrik di laboratorium-laboratorium terus dilakukan sampai tahun 1870 saat Thomas Alfa Edison memulai pengembangan generator arus searah secara komersial untuk mendukung distribusi tenaga listrik yang berguna bagi penerangan listrik di rumah-rumah.



Gambar 1.2 Mesin CNC Mesin Listrik



1- 1



Kejadian yang penting dalam sejarah mesin listrik adalah dengan dipantenkannya motor induksi tiga fasa oleh Nikola Tesla pada tahun 1888. Konsep Tesla mengenai arus bolak-balik selanjutnya dikembangkan oleh Charles Steinmetz pada dekade berikutnya, sehingga pada tahun 1890 transformator dapat diwujudkan, sekaligus menjadi pembuka jalan untuk melakukan transmisi daya listrik jarak jauh. Meskipun konsep mesin listrik yang digunakan saat ini tidak berbeda dari sebelumnya, tetapi perbaikan dan proses pengembangan tidak berhenti. Pengembangan bahan ferromagnetic dan isolasi terus dilakukan untuk meningkatkan kemampuan daya yang lebih besar dibandingkan dengan mesin listrik yang digunakan sekarang ini. Mesin listrik memegang peranan yang sangat penting dalam industri maupun dalam kehidupan sehari-hari. Gambar 1.3 Mesin Cuci



Pada power plant digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik, di industri digunakan sebagai penggerak peralatan mekanik, seperti mesin pembuat tekstil, pembuat baja, dan mesin pembuat kertas. Dalam kehidupan sehari-hari mesin listrik banyak dimanfaatkan pada peralatan rumah tangga listrik, kendaraan bermotor, peralatan kantor, peralatan kesehatan, dan sebagainya. Ada tiga katagori utama untuk mesin putar (rotating machines) atau mesin dinamis yaitu mesin arus searah, mesin induksi, dan mesin sinkron. Dari kategori utama ini dikelompokkan lagi atas generator dan motor. Transformator termasuk katagori mesin statis, dan berdasarkan fasanya dibagi atas transformator satu fasa dan tiga fasa



Gambar 1.4 Alternator Mobil



Transformator merupakan salah satu alat listrik yang banyak digunakan pada bidang tenaga listrik dan bidang elektronika. Pada bidang tenaga listrik, transformator digunakan mulai dari pusat pembangkit tenaga listrik sampai ke rumah-rumah (Gambar 1.5). Sebelum di transmisikan tegangan yang dihasilkan oleh pembangkit dinaikkan terlebih dahulu dengan menggunakan sebuah transformator daya (Gambar 1.6) dengan tujuan untuk mengurangi kerugian energi yang terjadi saat listrik di transmisikan.



Mesin Listrik



1- 2



Gambar 1.5 Penggunaan Transformator pada Bidang Tenaga Listrik



Kemudian sebelum digunakan oleh konsumen tegangan akan diturunkan lagi secara bertahap dengan menggunakan transformator distribusi (Gambar 1.7 ), sesuai dengan peruntukkannya seperti kawasan industri, komersial, atau perumahan.



Gambar 1.6 Transformator Daya



Gambar 1.7 Transformator Distribusi Tipe Tiang



Transformator yang dimanfaatkan di rumah tangga pada umumnya mempunyai ukuran yang lebih kecil, seperti yang digunakan untuk menyesuaikan tegangan dari peralatan rumah tangga listrik dengan suplai daya yang tersedia. Transformator dengan ukuran yang lebih kecil lagi biasanya digunakan pada perangkat elektronik seperti radio, televisi, dan sebagainya (Gambar 1.8).



Mesin Listrik



1- 3



Gambar 1.8 Transformator pada peralatan elektronik



Rangkuman 1.



2.



3.



4.



5. 6. 7.



8. 9.



Prinsip dasar dari sebuah mesin listrik adalah konversi energi elektromekanik, yaitu konversi dari energi listrik ke energi mekanik atau sebaliknya dari energi mekanik ke energi listrik. Alat yang dapat mengubah (mengkonversi) energi mekanik ke energi listrik disebut generator, dan apabila mesin melakukan proses konversi sebaliknya yaitu dari energi listrik ke energi mekanik disebut motor. Pada transformator energi listrik yang diberikan pada lilitan akan mengakibatkan timbulnya medan magnet pada inti besi dan selanjutnya diubah kembali menjadi energi listrik. Mesin listrik mulai dikenal tahun 1831 dengan adanya penemuan oleh Michael Faraday mengenai induksi elektromagnetik yang menjadi prinsip kerja motor listrik. Motor induksi tiga fasa dipantenkan oleh Nikola Tesla pada tahun 1888. Konsep Tesla mengenai arus bolak-balik dikembangkan oleh Charles Steinmetz, sehingga pada tahun 1890 transformator dapat diwujudkan. Pengembangan bahan ferromagnetic dan isolasi terus dilakukan untuk meningkatkan kemampuan daya yang lebih besar dibandingkan dengan mesin listrik yang digunakan sekarang ini. Ada tiga katagori utama untuk mesin putar (rotating machines) atau mesin dinamis yaitu mesin arus searah, mesin induksi, dan mesin sinkron. Transformator termasuk katagori mesin statis, dan berdasarkan fasanya dibagi atas transformator satu fasa dan tiga fasa.



Mesin Listrik



1- 4



BAB II



Transformator Satu Fasa Tujuan Pembelajaran Umum : 1. 2. 3. 4. 5.



Memahami tentang Konstruksi dan Prinsip Kerja transformator satu fasa Memahami tentang cara penggambaran dan perhitungan parameter transformator berdasarkan rangkaian ekuivalen . Memahami tentang cara menentukan rangkaian ekuivalen transformator berdasarkan hasil pengujian hubung singkat dan beban nol Memahami tentang metode regulasi tegangan dan paralel transformator satu fasa Memahami tentang prinsip kerja, diagram rangkaian, dan efisiensi autotransformator.



Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang pemanfaatan dan prinsip kerja transformator, khususnya transformator satu fasa di industri dengan benar. 2. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang konstruksi dari sebuah transformator satu fasa dengan benar . 3. Mahasiswa mampu menjelaskan dan mengambarkan bagian-bagian utama dari sebuah transformator fasa dengan benar. 4. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menggambarkan rangkaian ekuivalen transformator satu fasa dengan benar . 5. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung resistansi, reaktansi, dan impedansi transformator dengan benar . 6. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang tujuan dan cara melakukan test beban nol dan hubung singkat pada sebuah transformator satu fasa dengan benar. 7. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menentukan parameter transformator satu fasa berdasarkan test tanpa beban dengan benar. 8. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menentukan parameter transformator satu fasa berdasarkan test hubung singkat dengan benar. 9. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung efisiensi transformator satu fasa dengan benar. 10. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang metode regulasi tegangan transformator satu fasa dengan benar. 11. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung regulasi tegangan transformator satu fasa dengan benar. 12. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara memparalelkan transformator satu fasa dengan benar. 13. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang prinsip kerja dari autotransformator dengan benar. 14. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang diagram rangkaian dari autotransformator dengan benar. 15. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang keuntungan dan kerugian penggunaan autotransformator dibandingkan transformator biasa dengan benar. Mesin Listrik I



2- 1



Lembar Informasi : 2.1 Konstruksi dan Prinsip Kerja Dalam suatu eksperimennya Michael Faraday dengan menggunakan bahan-bahan berupa sebuah coil, magnet batang dan galvanometer (Gambar 2.1) dapat membuktikan bahwa bila kita mendorong medan magnet batang ke dalam coil tersebut, dengan kutub utaranya menghadap coil tersebut, ketika batang magnet sedang begerak, jarum galvanometer memperlihatkan penyimpangan yang menunjukkan bahwa sebuah arus telah dihasilkan di dalam coil tersebut. Bila batang magnet tersebut digerakkan dengan arah sebaliknya maka arah penunjukkan pada galvanometer arahnyapun berlawanan yang menunjukkan bahwa arah arus yang terjadi berlawanan juga. Jadi yang terjadi dalam percobaan itu adalah apa yang disebut arus imbas yang dihasilkan oleh tegangan gerak listrik imbas.



Gambar 2.1 Percobaan Arus Induksi



Dalam percobaan lainnya Michael Faraday mencobakan sebuah cincin yang terbuat dari besi lunak, kemudian cincin besi lunak tersebut dililit dengan kawat tembaga berisolasi (Gambar 2.2 ).



Gambar 2.2 Percobaan Induksi



Bila saklar (S) ditutup, maka akan terjadi rangkaian tertutup pada sisi primer, demikian arus I1 akan mengalir pada rangkaian sisi primer tersebut, sedangkan pada lilitan sekunder tidak ada arus yang mengalir. Tetapi bila saklar (S) ditutup dan dibuka secara bergantian maka jarum galvanometer akan memperlihatkan adanya penyimpangan yang arahnya berubah-ubah kekiri dan kekanan. Perubahan arah penunjukkan jarum galvanometer ini disebabkan adanya tegangan induksi pada lilitan sekunder, sehingga I 2 mengalir melalui galvanometer.



Mesin Listrik I



2- 2



Dari percobaan seperti telah dijelaskan diatas Michael Faraday dapat menyimpulkan bahwa tegangan gerak listrik imbas e didalam sebuah rangkaian listrik adalah sama dengan perubahan fluks yang melalui rangkaian-rangkaian tersebut. Jika kecepatan perubahan fluks dinyatakan didalam weber/detik, maka tegangan gerak listrik e dinyatakan dalam Volt, yang dalam bentuk persamaannya adalah :



d ……………………….………………… (2- 1) dt pers (2 - 1) ini dikenal dengan hukum Induksi Faraday, tanda negatif menunjukkan bahwa arus induksi akan selalu mengadakan perlawanan terhadap yang menghasilkan arus induksi tersebut. Bila coil terdiri dari N Lilitan, maka tegangan gerak listrik imbas yang dihasilkan merupakan jumlah dari tiap lilitan, dalam bentuk persamaan : e



d …………………………………………………(2 – 2) dt dan Nd dinamakan tautan fluksi (Flux Linkages) didalam alat tersebut. e  N



Definisi Transformator



Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi Listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain dengan frekuensi yang sama, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Secara konstruksinya transformator terdiri atas dua kumparan yaitu primer dan sekunder. Bila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, maka fluks bolak-balik akan terjadi pada kumparan sisi primer, kemudian fluks tersebut akan mengalir pada inti transformator, dan selanjutnya fluks ini akan mengimbas pada kumparan yang ada pada sisi sekunder yang mengakibatkan timbulnya fluks magnet di sisi sekunder, sehingga pada sisi sekunder akan timbul tegangan (Gambar 2.3 ).



Gambar 2.3 Fluks Magnet Transformator



Mesin Listrik I



2- 3



Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua jenis transformator, yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type). Pada transformator tipe inti (Gambar 2.4), kumparan mengelilingi inti, dan pada umumnya inti transformator L atau U. Peletakkan kumparan pada inti diatur secara berhimpitan antara kumparan primer dengan sekunder. Dengan pertimbangan kompleksitas cara isolasi tegangan pada kumparan, biasanya sisi kumparan tinggi diletakkan di sebelah luar.



Gambar 2.4 Transformator Tipe Inti



Gambar 2.5 Tranformator Tipe Cangkang



Sedangkan pada transformator tipe cangkang (Gambar 2.5) kumparan dikelilingi oleh inti, dan pada umumnya intinya berbentuk huruf E dan huruf I, atau huruf F. Untuk membentuk sebuah transformator tipe Inti maupun Cangkang, inti dari transformator yang berbentuk huruf tersebut disusun secara berlapis-lapis (laminasi), jadi bukan berupa besi pejal. Tujuan utama penyusunan inti secara berlapis (Gambar 2.6) ini adalah unuk mengurangi kerugian energi akibat ”Eddy Current” (arus pusar), dengan cara laminasi seperti ini maka ukuran jerat induksi yang berakibat terjadinya rugi energi di dalam inti bisa dikurangi. Proses penyusunan inti Transformator biasanya dilakukan setelah proses pembuatan lilitan kumparan transformator pada rangka (koker) selesai dilakukan.



Gambar 2.6 Laminasi Inti Transformator



Mesin Listrik I



2- 4



2.2



Transformator Ideal



Sebuah transformator dikatakan ideal, apabila dalam perhitungan dianggap tidak ada kerugian-kerugian yang terjadi pada transformator tersebut, seperti rugi akibat resistansi, induktansi, arus magnetisasi, maupun akibat fluks bocor. Jika sebuah transformator tanpa beban (Gambar 2.7 ), kumparan primernya dihubungkan dengan dengan sumber tegangan arus bolak-balik (abb) sinusoid V1 , maka akan mengalir arus primer I 0 yang juga mempunyai bentuk gelombang sinusoidal, bila diasumsikan kumparan 0



N1 merupakan reaktif murni, maka I 0 akan tertinggal 90 dari V1 . Arus primer ini akan menimbulkan fluks sinusoidal yang sefasa,    maks sin t ……………………………..….(2 – 3)



Gambar 2.7 Transformator Tanpa Beban



Gambar 2.8 Arus Tanpa Beban



Fluks yang sinusoidal akan mengkibatkan terbangkitnya tegangan induksi E1 d Volt e1   N1 dt d(maks sin t ) e1   N1   N1 maks cos t Volt dt N 2f maks E1  1  4,44 N1f maks Volt …………………………….………(2 – 4) 2



Mesin Listrik I



2- 5



maka pada sisi sekunder, fluks tersebut akan mengakibatkan timbulnya tegangan E 2 .



d Volt dt e 2   N 2 maks cos t Volt E 2  4,44N 2fmaks Volt ……………………………………..…………………..(2 – 5) e2  N2



Arus primer yang mengalir pada transformator saat sekunder tanpa beban, bukan meupakan arus induktif murni, tetapi terdiri dari dua komponen arus yaitu arus magnetisasi ( I m ) dan arus rugi tembaga ( I C ). Arus magnetisasi ini menghasilkan fluks (Φ). Bentuk gelombang arus magnetisasi (Gambar 2.8) yang berbentuk sinusoidal akan berubah bentuk akibat pengaruh sifat besi (inti) yang tidak linear, sehingga bentuk gelombang berubah seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.9. Sebuah Transformator Ideal dalam keadaan berbeban, seperti dieperlihat-kan pada gambar 2.10. Bila  2  2.V2 . sin t , dimana V2 nilai tegangan efektif dari terminal V sekunder kemudian i 2  2. ( 2 ) sin(t  ) ,  adalah sudut impedansi dari beban. Z



Zin 



Z K2



......................................................................................(2 – 6)



Gambar 2.9 Kurva B – H



Gambar 2.10 Transformator Ideal



Dalam bentuk phasor : V I2  2  I2    Z dimana I 2 



V2



dan Z  Z 



Z2 Mesin Listrik I



2- 6



V V 1  2. 2 sin t , efektifnya V1  2 K K sedangkan untuk arus :



i1  2.I 2 .K sin(t  ) = 2I1 . sin( t  ) dalam bentuk phasor :



I1  I 2 .K



Impedansi dilihat dari sisi sekunder :



Zin 



2.3



V1 V2 / K V   22 I1 I2K I2K



Transformator Berbeban



Pada sub bab terdahulu telah dijelaskan bagaimana keadaan transformator secara ideal baik saat tanpa beban maupun berbeban. Dalam prakteknya apabila sisi kumparan sekunder transformator diberi beban (Gambar 2.11) maka besar tegangan yang di induksikan (E2) tidak akan sama dengan tegangan pada terminal (V2), hal ini terjadi karena adanya kerugian pada kumparan transformator.



Gambar 2.11 Transformator Berbeban



Apabila transformator diberi beban Z L maka arus I 2 akan mengalir pada beban tersebut, arus yang mengalir ini akan mengakibatkan timbulnya gaya gerak magnet (ggm) N 2 I 2 yang mana arahnya cenderung melawan arah fluks bersama yang telah ada disebabkan arus magnetisasi I m . Untuk menjaga agar fluks bersama yang telah ada bisa dijaga dipertahankan nilainya, maka pada sisi kumparan primer arus mengalir arus I '2 yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I '2 , sehingga arus yang mengalir pada sisi kumparan primer menjadi :



Mesin Listrik I



2- 7



I1  I 0  I 2 dimana I 0  I C  Im , apabila I C (rugi besi) diabaikan, maka nilai I 0 = I m , sehingga I1  I m  I 2 . Untuk menjaga agar fluks bersama yang ada pada inti transformator tetap nilainya, maka :



N1Im  N1I1  N2I2 N1I m  N1 (I m  I2 )  N 2 I 2 N1I m  N1I m  N1I2  N 2 I 2 , maka I N N1I2  N 2 I 2 , nilai I '2 = I1 bila I m dianggap kecil, sehingga 1  2 ………….…(2 - 7) I 2 N1 2.3.1



Rangkaian Ekuivalen



Untuk memudahkan dalam menganalisa sebuah transsformator maka kita perlu mengetahui bagaimana rangkaian ekuivalen (model rangkaian) dari transformator tersebut . Model rangkaian transformator dikembangkan oleh Steintmetz , dengan model ini memungkinkan kita untuk menganalisa sebuah rangkaian dari peralatan yang sangat nonlinear dapat dianalisa dengan teori rangkaian linear . i1



+



1



Ø



•



•+ l 1



N1



-



l 2



i2



2



N2



ZL



Resistansi Kumparan = r1



Resistansi Kumparan = r2



Gambar2.12 Rangkaian Ekuivalen Transformator



2.3.1.1 Resistansi Kumparan Kedua kumparan bisa dianggap sumber tegangan yang mempunyai tegangan didalamnya, masing-masing e1' dan e 2' dan mempunyai resistansi r1 dan r2 , lihat gambar 2.13. +•



1



i1



•+



r1 e1



-•



Ø



l 1



'



•+ l 2



e2



'



r2



i2



+



2



-



N1



-•



N2



Gambar2.13 Resistansi Kumparan dari Transformator Mesin Listrik I



•



2- 8



ZL



2.3.1.2 Reaktansi Bocor Selanjutnya efek reaktansi bocor bisa ditunjukkan secara terpisah dari fluks bersama dan tegangan yang melalui kedua koil menunjukkan akibat bocor pada sisi primer dan sekunder . l i1



r1



+



1



•



el



e1



1



N1



•+



Ø



1



• e2



-



-



-



2



el



r2



•



+



e1



!



N2  l



2



e2



!



i2



+



ZL  2



-



Gambar 2.14 Induktansi atau Reaktansi Bocor Transformator



el1  Ll1



di1 dt



dan el  L 2 l2



di 2 dt



…………………………………………(2 – 8)



: i 2  2 I 2 sin t dimana I 2 arus efektif dari sekunder , maka tegangan jatuh akibat reaktansi bocor adalah : di  el 2  Ll 2 2 dt kemudian



d ( 2 I 2 sin t dt  Ll ( 2 I 2 cos t  Ll 2



2



sehingga  El max  2Ll I2 dan nilai efektif dan  El  Ll I 2 . 2 2 2 2 Perlu diperhatikan arus adalah fungsi sinus , lagging tegangan cosinus sebesar 900 . Dalam phasor efektif  El  j(Ll )I2 2 2 untuk primer El  j(Ll )I1 1 1 maka resistansi bocor dari primer dan sekunder adalah : x1  Ll1  N12l1 ……………………………………..(2 – 9) x 2  Ll 2  N 22l 2 ………………………..…………..(2-10) 2.3.1.3 Penguatan Inti ( Arus Penguatan ) Besarnya fluks yang terjadi pada inti sebuah transformator bisa kita peroleh berdasarkan hukum Faraday : d e1  N1 dt Mesin Listrik I



2- 9







1  e1dt N1



e1  2E1 sin(t  ) ………………………………….…………….(2 – 11) maka







dan







2E1 cos(t  ) N1



2E1 1 V1 ……………………………………………….(2 – 12)  N1 2f N1



persamaan diatas juga menyatakan jika tegangan sinusoidal (juga fluks) , tetapi lagging dari tegangan sebesar 90 . Inti transformator merupakan elemen yang bersifat nonlinear. Seperti yang dijelaskan pada sub bab sebelumnya bahwa pada inti akan timbul rugi histerisis, ditambah berubah-ubahnya fluks inti oleh tegangan induksi didalam inti itu sendiri . Tegangan ini menyebabkan “ eddy like currents” bersirkulasi didalam inti. “ Eddy Currents” menyebabkan rugi-rugi I 2 R didalam inti .



  F1  F2  N1i1  N 2i 2 A.t kemudian bagi kedua sisi persamaan dengan N1   i1  i 2 K  i ex N1   N1i ex  N1(i   i h  e ) dimana N1i  magnetisasi inti dan N1i h  e untuk mengetahui histerisis dan menyeimbangkan ggm yang diakibatkan oleh “Eddy Currents” .  i ex  i   i h  e



E Xm  1 I Rugi inti dalam watt



dan R c 



E1 ………………………………….(2 – 13) Ih e



E 2 Pc  E1.I h  e  I h  e 2 R c  1 Watt …………………………..(2 -14) Rc



2.3.1.4 Rangkaian Ekuivalen Secara Lengkap Berdasarkan pembahasan sebelumnya kita telah membahas rugi-rugi yang terjadi didalam sebuah transformator, maka untuk memudahkan menganalisis kerja transformator tersebut dapat dibuat rangkaian ekuivalen dan vektor diagramnya. Rangkaian ekuivalen ini dapat dibuat dengan acuan sisi primer atau acuan sisi sekunder .



Mesin Listrik I



2 - 10



 Rangkaian Ekuivalen dengan Acuan Sisi Primer R1



X2



X1



+



+



•



I ex Ih e



V1



1 K



R2



2



1



I 2K



K2



I



E E  2 Xm 1 K



Rc



-



V2 K



ZL K



2



-• Gambar 2.15 Rangkaian Ekuivalen dengan Acuan Sisi Primer I 2 K  I 2'



+



I ex Ih e



V1



+



•



R eq1



I Xm



Rc



E1 



E2 K



X eq1



Z ' eq



ZL K



2



V2 K



-•



-



Gambar 2.16 Rangkaian Ekuivalen dengan Acuan Sisi Primer disederhanakan



Yang dimaksud dengan acuan sisi primer adalah apabila parameter rangkaian sekunder dinyatakan dalam harga rangkaian primer dan harganya perlu dikalikan dengan faktor 1 (Gambar 2.15). Untuk memudahkan dalam menganalisis, rangkaian ekuivalen pa2 K da gambar 2.15 dapat disederhanakan lagi, seperti diperlihatkan pada gambar 2.16. Berdasarkan rangkaian diatas kita dapat menentukan nilai parameter yang ada pada transformator tersebut berdasarkan persamaan-persamaan berikut ini. Impedansi ekuivalen transformator adalah : R X Z eq1  (R1  2 )  j(X1  2 ) K2 K2  R eq1  jX eq1 .............................................................(2 – 15) dimana



R eq1  R1  X eq1  X1 



R2 K2 X2



…………………………………..……(2 – 16)



……………..…………………………(2– 17) K2 V1  E1  I1.R1  I1.X1 ……..……………………….....(2– 18) V2  E 2  I 2 .R 2  I 2 .X 2 …………………..…………..(2– 19)



Mesin Listrik I



2 - 11



E2 N2 E   K atau E1  2 ………….………………...(2 -20) K E1 N1 maka :



E1 



1 (I 2 .Z L  I 2 .R 2  I 2 .X 2 ) K



I 2' N 2 I 2'   K atau I 2  K I2 N1



sedangkan sehingga



I ' I ' 1 I 2' ( Z L  2 R 2  2 X 2 ) ……………………..(2 – 21) K K K K V V1  2  I1 (R eq1  jX eq1 ) ………………………….…(2 – 22) K E1 



dan



 Rangkaian Ekuivalen dengan Acuan Sisi Sekunder I1 K



R 1K 2



X1 K 2



+



+



I ex K V1K



R cK 2



Xm K 2



-



•



X2



R2



I2



ZL



E 2  E1 K



-• Gambar 2.17 Rangkaian Ekuivalen dengan Acuan Sisi Sekunder



+



I1 K



+



•



I ex K



X eq 2



R eq 2



Z V1K



-



R cK 2



Xm K



2



E 2  E1 K



eq 2



Z L 



V2



-• Gambar 2.18 Rangkaian Ekuivalen Transformator dengan Acuan Sisi Sekunder yang disederhanakan



Rangkaian ekuivalen transformator bisa dibuat dengan acuan sisi sekunder (Gambar 2.17), untuk itu parameter rangkaian primer harus dinyatakan dalam harga rangkaian sekunder dan harganya perlu dikalikan dengan K 2 .



Mesin Listrik I



2 - 12



V2



V1K I 2 Z eq 2







I 2 X eq 2



V2 I 2 R eq 2



I2



Gambar 2.19 Diagram Vektor Sisi Sekunder



Zeq 2  (R1K 2  R 2 )  j(X1K 2  X 2 )



 R eq 2  jX eq 2 ) ……………………….…………………..(2-23) dimana



R eq 2  R1K 2  R 2 ) ……………………………………………...(2-24) X eq 2  X1K 2  X 2 ……………………………………………….(2-25)



E1  V1  (I1.R1  I1.X1) ………………………………………….(2-26) V2  E 2  (I 2 .R 2  I 2 .X2 ) ………………………………………(2-27) E 2  KV1  (I2.K.R1  I2.K.X1)







 K.V1  (I 2 .K 2 .R1  I 2 .K 2 .X1)……………………..…….(2-28) dan



V2  E 2  (I 2 .R 2  I 2 .X2 )







 KV1  (I 2 .K 2 .R1  I 2 .K 2 .X1)  (I 2 .R 2  I 2 .X 2 )  K.V1  I 2 (R eq 2  jX eq 2) …………………………………(2-29) 2.3.2



Perkiraan Tegangan Jatuh pada Transformator



Saat sebuah transformator dalam keadaan tanpa beban V1 kira-kira sama nilainya dengan E1 , sehingga E 2  E1K . Juga E 2  oV2 , dimana oV2 adalah terminal tegangan sekunder pada keadaan tanpa beban atau oV2  K.V1 . Perbedaan keduanya adalah sebesar I 2 .Zeq 2 , sedangkan perkiraan tegangan jatuh pada sebuah transformator dengan acuan tegangan sekunder. Tegangan jatuh pada sebuah transformator dipengaruhi oleh nilai beban dan faktor daya yang terhubung pada transformator tersebut. 



Faktor Daya “ Lagging “



Tegangan jatuh total I 2 .Zeq2  AC  AF dan diasumsikan sama dengan AG. Perkiraan tegangan jatuh : Mesin Listrik I



2 - 13



AG = AD + DG  I 2 .R eq 2 .Cos  I 2 .X eq 2 .Sin  ………………………………………………(2 -30)



1  2  



dengan asumsi



C V1K  oV2



I 2 Zeq 2 I 2 X eq 2 D G



A



O



2



V2



F



I 2 R eq 2



I2



B



E



Gambar 2.20 Transformator dengan Faktor Daya “ Lagging”







Faktor Daya “ Leading “



Perkiraan tegangan jatuh untuk faktor daya Leading  I 2 .R eq 2Cos   I 2 .X eq 2 .Sin  .........................................................................(2 – 31)



V1K  oV2



I 2 X eq 2



I2



I 2 Z eq 2



2



O



I 2 R eq 2



V2



Gambar 2.21 Transformator dengan Faktor Daya “ Leading”







Faktor Daya “ Unity “ C



I 2 Zeq 2



I 2 X eq 2



V1K  oV2



O



A I2



V2



B I 2 R eq 2



Gambar 2.22 Transformator dengan Faktor Daya “ Unity”



Secara umum, perkiraan tegangan jatuh pada transformator adalah : = I 2 .R eq 2 .Cos   I 2 .X eq 2Sin  ………………………………………………(2 – 32) Perkiraan tegangan jatuh dilihat dari sisi primer adalah : Mesin Listrik I



2 - 14



= I1.R eq1.Cos   I1.X eq1.Sin  .........................................................................(2 – 33)



Prosentase tegangan jatuh dilihat dari sisi sekunder : I 2 .R eq 2 .Cos   I 2 .X eq 2 .Sin   x100% oV2 



100%xI 2 .R eq 2 oV2



Cos  



100%xI 2 .X eq 2 oV2



Sin 



 Vr Cos   VxSin  ……………………………………………….…….(2 - 34) 2.3.3



Efisisensi Transformator



Efisiensi =  =







Daya Keluar Daya Masuk Daya _ Keluar Daya _ Keluar  Rugi 2



dimana  Rugi = Pcu  Pi Rugi ..........................................................................(2 – 35)   1 Daya _ Masuk 2.3.4



Perubahan Efisiensi Terhadap Beban Rugi Cu ( Pcu ) = I12 .R eq1 atau I 2 2 R eq 2  Wc Rugi Inti ( Pi )



= Rugi Histeris + Rugi Arus Pusar ( Eddy Current) = Ph + Pe



Daya Masuk Primer = V1.I1.Cos1



V .I .Cos1  Rugi  1 1 V1.I1.Cos1 V1.I1.Cos1  I12 .R eq1  Pi  . V1.I1.Cos1



 1



I1.R eq1 Pi  ......................................(2 – 36) V1.Cos1 V1.I1.Cos1



Diferensialkan kedua sisi dengan I 1 , maka R eq1 d Pi 0  dI1 V1.Cos1 V .I 2 .Cos 1 1 1



Mesin Listrik I



2 - 15



untuk mendapatkan  maksimum , R eq1 V1.Cos1







d = 0 , sehingga persamaan menjadi : dI1



Pi atau V1.I12 .Cos1



Pi  I12 .R eq1 ………………………………………….(2 -37) dari persamaan diatas dapat ditarik kesimpulan , untuk beban tertentu , efisiensi maksimum terjadi ketika rugi tembaga = rugi inti . 2.3.5



Pengaturan Tegangan



Pengaturan Tegangan (Regulation Voltage) suatu transformator adalah perubahan tegangan sekunder antara beban nol dan beban penuh pada suatu faktor daya tertentu, dengan tegangan primer konstan. Ada dua macam pengaturan tegangan yaitu, Regulation Down (Reg Down) Regulation Up (Reg Up) :



dan



oV2  V2 x100% ………………………………………………..(2 – 38) oV2 oV2  V2 % Reg Up  x100% ………………………………………………..(2 – 39) V2 Tegangan sisi sekunder tanpa beban sebagai referensi (acuan) adalah : E E 2 '  2  E1  V1 K dan jika tegangan terminal sekunder beban penuh sebagai referensi primer V V2 '  2 K V1  V2 ' x100% % Pengaturan (Regulation)  V1 % Reg Down 







I1 .R eq1 .Cos  I1 .X eq1 .Sin



x100% V1  Vr Cos  Vx .Sin …………………………….(2 – 40)



Mesin Listrik I



2 - 16



2.4 Pengaruh Perubahan Faktor Daya Beban terhadap Efisiensi



EFISIENSI



0,99



0,98



0,97



0,96 0



1,00 0,50 0,75 BEBAN PENUH



0,25



1,25



1,50



Gambar 2.23 Pengaruh Perubahan Faktor Daya



  1  1 bila maka



2.5



Rugi V2 .I 2 .Cos  Rugi Rugi / V2 .I 2 ………………………………………(2 -41) Cos  Rugi / V2 .I 2



Rugi / V2 .I 2  x  Kons tan ,  1



x Cos  x



   1



x / Cos ……………………..(2-42) 1  x / Cos



Pengujian Transformator



Untuk menganalisis transformator berdasarkan rangkaian ekuivalen, maka perlu diketahui parameter-parameter yang ada pada transformator tersebut. Parameter transformator bisa diketahui dari datasheet yang diberikan oleh pabrik pembuat atau bila tidak ada bisa diketahui berdasarkan hasil percobaan. Dua macam percobaan yang terpenting adalah percobaan beban nol (tanpa beban) dan percobaan hubung singkat. Percobaan beban dilakukan untuk mengetahui rugi inti dari transformator, sedangkan percobaan hubung singkat dilakukan untuk mengetahui rugi tembaganya.



Mesin Listrik I



2 - 17



2.5.1



Percobaan Beban Nol



Pada saat sisi sekuder dari transformator tidak diberi beban (Gambar 2.24), tegangan sisi primer hanya akan mengalirkan arus pada rangkaian primer yang terdiri dari impedansi bocor primer Z1  R1  jX1 dan impedansi penguat-an : Zm  R c  jX m .Karena umumnya Z1 jauh lebih kecil dari Z m , maka Z1 biasa diabaikan tanpa menimbulkan suatu kesalahan yang berarti, rangkaian ekuivalennya (Gambar 2.25). Ø A



W



Suplai 1 Fasa



V



N1



N2



No Load



Gambar 2.24 Rangkaian Percobaan Beban Nol



I ex  I 0



I ex Ih e



V1



Rc



I  Im



I Xm



0



Ihe  Ic Gambar 2.25 Rangkaian Ekuivalen hasil Percobaan Beban Nol



Pada umumnya percobaan beban nol dilakukan dengan alat ukur diletakkan di sisi tegangan rendah dengan besarnya tegangan yang diberikan sama dengan tegangan nominalnya. Hal ini dilakukan dengan pertimbangan sebagai berikut : a) Bekerja pada sisi tegangan tinggi lebih berbahaya ; b) Alat-lat ukur tegangan rendah lebih mudah didapat. Dari hasil penunjukkan alat –alat ukur didapat nilai sebagai berikut :



I 0  I c 2  I m 2 ……………………………………..…….(2 – 43) P0  V1.I 0 .Cos0 ..................................................................(2 – 44) I c  I 0 .Cos0 dan Im  I 0 .Sin 0



V0 V0 2 ……………………………………………(2 – 45) Rc   Ic P0 V X m  0 ..............................................................................(2 – 46) Im



Mesin Listrik I



2 - 18



2.5.2



Percobaan Hubung Singkat



Pada saat melakukan percobaan hubung singkat, sisi tegangan rendah transformator di hubung singkat (Gambar 2.26), alat ukur diletakkan di sisi tegangan tinggi dengan nilai arus dan tegangan yang telah direduksi (dikurangi), tegangan yang diberikan  5%10% dari harga nominalnya. Nilai arus yang melalui kumparan yang dihubung singkat sama dengan arus nominalnya, oleh karena besarnya V2 sama dengan nol, maka besarnya E 2 adalah sama dengan rugi tegangan pada belitan sekundernya. Ø A



W



Suplai 1 Fasa



V



A



Hub Singkat



Gambar 2.26 Rangkaian Percobaan Hubung Singkat X eq



R eq



Z



V



eq



Gambar 2.27 Rangkaian Ekuivalen hasil Percobaan Hubung Singkat



E 2HS  I 2 .Z2



sedangkan dalam keadaan normal E 2  V2  I 2 .Z2 , karena itu didalam percobaan hubung singkat ini E 2HS hanya 5 % - 10% dari E 2 . Daya yang diserap pada saat percobaan hubung singkat ini dapat dianggap sama dengan besarnya kerugian tembaga pada kedua sisi kumparan tersebut.



PHS  I12 .R1  I 2 2 .R 2  I12 .R1  (I 2' ) 2 .R 2 '  I12 .(R1  R 2' )  I12 .R eq1 



P R eq1  HS I12



………………………………………..(2 – 47)



Mesin Listrik I



2 - 19



jika resistansi ekuivalen diperoleh dari percobaan hubung singkat tersebut akan digunakan untuk memperhitungkan efisiensi , maka resistasni ini harus dikoreksi pada temperatur kerja yaitu 75C , sehingga :



R 75  R.



234,5  75 ……………………………………………..(2 -48) 234,5  t



V Zeq1  HS .................................................................................(2 -49) I1 X eq1  ( Zeq1) 2  (R eq1) 2 ……………………………………(2 -50)



CosHS 



2.5.3



PHS ………………………………………………...(2 -51) VHS.I1



Penentuan Polaritas Transformator Satu Fasa



Cara melilit kumparan transformator sangat menentukan tegangan induksi yang dibangkitkan dan polaritas dari transformator tersebut (Gambar 2.28). Bila sisi primer diberi tegangan, akan menghasilkan arah tegangan induksi seperti ditunjukkan arah panah. Terminal H1 mempunyai polaritas yang sama dengan L1 yaitu positif (+), sedangkan H2 polaritasnya sama dengan L2 (-).



Gambar 2.28 Penentuan Polaritas Transformator



Posisi polaritas seperti tersebut diatas disebut dengan polaritas pengurangan, sebaliknya jika polaritas H1 (+) = L2 (+) dan H2 (-) = L1 (-), akibat cara melilit kumparan sekunder sebaliknya dari kondisi pertama, maka disebut polaritas penjumlahan. Penentuan polaritas seperti tersebut dijelaskan diatas bisa diketahui dengan cara melakukan pengukuran tegangan sebagai berikut, bila :  VaVH disebut polaritas penjumlahan.



Mesin Listrik I



2 - 20



2.6



Paralel Transformator



Penambahan beban pada suatu saat menghendaki adanya kerja paralel diantara transformator. Tujuan utama kerja paralel ialah supaya beban yang dipikul sebanding dengan kemampuan KVA masing-masing transformator, sehingga tidak terjadi pembebanan yang berlebihan.



Busbar Primer



V1



•



•



V2



•



•



Busbar Sekunder



Untuk kerja paralel transformator ini diperlukan beberapa syarat : 1. Kumparan primer dari transformator harus sesuai dengan tegangan dan frekuensi sistem suplai (jala – jala) ; 2. Polaritas transformator harus sama ; 3. Perbandingan tegangan harus sama ; 4. Tegangan impedansi pada keadaan beban penuh harus sama ; 5. Perbandingan reaktansi terhadap resistansi sebaiknya sama.



Gambar 2.29 Rangkaian Paralel Transformator Satu Fasa



2.6.1



Paralel Dua Transformator dalam Keadaan Ideal



Keadaan ideal dari dua transformator mempunyai perbandingan tegangan sama dan mempunyai segitiga tegangan impedansi yang sama dalam ukuran dan bentuk. Segitiga ABC menunjukkan segitiga tegangan impedansi yang sama dari kedua transformator. Arus I A dan I B dari masing-masing transformator sefasa dengan arus beban I dan berbanding terbalik terhadap masing-masing impedansinya,



Mesin Listrik I



2 - 21



ZA



IA



I  I A  IB



IB



E



V1



ZB



E



V2 Beban=ZL



a. Rangkaian Paralel dua buah Transformator C E



I .Z



I .X







A



V2



I .R



IA



B



IB



I b. Diagram Vektor Paralel dua Transformator



Gambar 2.30 Paralel dua buah Transformator dalam Keadaan Ideal



I  IA  IB



V2  E  I A .ZA  E  I B .ZB  E  I.ZAB



I A .ZA  I B .ZB



atau



IA I  B ZB ZA



I.Z B .........................................................................(2 – 52) (Z A  Z B ) I.Z A IB  .........................................................................(2 – 53) (ZA  Z B )



IA  dan



ZA , ZB = Impedansi dari masing-masing transformator I A , I B = Arus masing-masing transformator 2.6.2



Paralel Transformator Perbandingan Tegangan Sama



Diasumsikan tegangan tanpa beban dari kedua transformator dari kedua sekunder sama E A  E B  E , tidak ada perbedaan fasa antara E A dan E B , hal ini dapat dilakukan jika arus magnetisasi dari kedua transformator tidak terlampau jauh berbeda antara yang satu dengan yang lainnya. Dibawah kondisi ini, kedua sisi primer dan sekunder dari kedua transformator dapat dihubungkan secara paralel dan tidak ada arus sirkulasi antara keduanya saat tanpa beban. Bila admitansi magnetisasi diabaikan, kedua transformator Mesin Listrik I



2 - 22



dapat dihubungkan dengan rangkaian ekuivalen seperti diperlihatkan pada Gambar 2.31, dan vektor diagramnya seperti diperlihatkan pada Gambar 2.32 IA



ZA I  I A  IB



IB



E



V1



E



ZB



IA



V2 Beban = ZL



I  I A  IB



IB ZB



V2



Beban= ZL



Gambar 2.31 Rangkaian Ekuivalen Paralel Transformator Tegangan Sama



ZA , ZB = Impedansi dari masing-masing transformator. I A , I B = Arus masing-masing transfor-mator V2 = Tegangan terminal I = Arus total I A .ZA  I B.ZB  I.ZAB ZB ZA V2 .I A  V2 .I dan V2 .I B  V2 .I ZA  ZB ZA  ZB sedangkan V2 .I.x10 3  S kombinasi daya beban dalam KVA dan daya dalam KVA untuk masing-masing transformator adalah : ZB ZA SA  S SB  S dan ...................(2 – 54) ZA  ZB ZA  ZB



B A



IB



V2 I A .R A



IB .X



IA



.Z B IB



A. X A



.Z A



I



EB EA 



B



C



I B .R B



IA



Gambar 2.32 Vektor Diagram Paralel Transformator Tegangan Sama



Mesin Listrik I



2 - 23



2.7



Autotransformator



Autotransformator adalah transformator yang hanya terdiri dari satu kumparan yang hanya berfungsi sebagai sisi primer dan sekunder (Gambar 2.39).



Gambar 2.33 Rangkaian Autotransformator



Bila tegangan pada sisi primer V1 dan arus I1, tegangan pada sisi sekunder V2 dan arus I2. Daya semu bisa mencermikan banyaknya bahan yang digunakan untuk pembuatan transformator tersebut. Besaran tegangan merupakan ukuran mengenai banyaknya inti yang dipakai, sedangkan arus berbanding lurus dengan banyaknya kawat tembaga yang dipakai dalam pembuatan transformator tersebut. Pada transformator “biasa” yang terdiri dari dua kumparan yang terpisah secara listrik, banyaknya bahan yang digunakan untuk primer dan sekunder bisa diperkirakan dengan persamaan : Stb  V1.I1  V2 .I 2 ........................................................................(2 – 55) Bila kerugian-kerugian didalam transformator dapat diabaikan, maka untuk pendekatan, persamaan untuk transformator biasa adalah : Stb  2.V1.I1 2.V2 .I 2 …………………………………………...(2 – 56) untuk autotransformator pendekatannya adalah : StA  V1.I  V3.I 2 ………………………………………………(2 – 57) sedangkan :



I1  I  I 2 ,maka I  I1  I 2 ……………………………………..(2 – 58) maka :



S tA  V1 (I1  I 2 )  (V2  V1 )I 2  V1.I1  V1.I 2  V2 .I 2  V1.I 2  V1.I1  V2 .I 2  2.V1.I 2



Mesin Listrik I



2 - 24



bila rugi-rugi dibaikan maka dapat ditulis : StA  2.V1.I1  2V1.I 2  2.V2 .I 2  2.V1.I 2



Perbandingan antara daya Autotransformator S tA dengan daya tipe sebagai transformator biasa Stb , adalah :



S tA 2.V2 .I 2  2.V1.I 2 V2  V1 V    1 1 S tb 2.V2 .I 2 V2 V2 dari persamaan diatas dapat dilihat untuk nilai V1 dab V2 yang tidak jauh berbeda, S misalnya V1:V2 = 0,9, maka perbandingan tA  10,9 0,1 ini menunjukkan dengan Stb menggunakan autotransformator diperlukan bahan 10% lebih hemat daripada transformator biasa. Autotransformator banyak digunakan di:  Industri untuk alat pengasut (start) motor induksi tiga fasa rotor sangkar.  Rumah-rumah untuk menaikkan tegangan yang tidak sesuai dengan kebutuhan peralatan listrik rumah tangga.



2.8



Transformator Pengukuran



Untuk melakukan pengukuran tegangan atau arus yang berada di gardu-gardu listrik atau pusat pembangkit tenaga listrik biasanya tidak dilakukan secara langsung karena karena nilai arus/tegangan yang harus diukur pada umumnya tinggi. Apabila pengukuran besaran-besaran listrik ini dilakukan secara langsung, maka alat-alat ukur yang harus disediakan akan menjadi sangat mahal karena baik dari ukuran fisik maupun ratingnya memerlukan perancangan secara khusus. Untuk mengatasi hal tersebut maka yang dibuat secara khusus bukan alat ukurnya, melainkan transformatornya, dengan cara ini harganyapun relatif lebih murah bila dibandingkan dengan pembuatan alat ukur khusus. Transformator khusus ini disebut transformator pengukuran (instrumen). Ada dua jenis transformator pengukuran, yaitu : 1. Transformator Arus yang menurunkan arus menurut perbandingan tertentu. 2. Transformator tegangan yang menurunkan tegangan menurut perbandingan tertentu. 2.8.1



Transformator Arus



Transformator arus (Gambar 2.40) digunakan untuk mengukur arus beban pada sebuah rangkaian. Dengan penggunaan transformator arus, maka arus beban yang besar dapat diukur hanya dengan menggunakan Ampermeter yang rangenya tidak terlalu besar.



Mesin Listrik I



2 - 25



Gambar 2.34 Transformator Arus



2.8.2



Transformator Tegangan



Prinsip kerja transformator tegangan sebenarnya sama dengan sebuah transformator biasa, yang membedakannya adalah dalam perbandingan transformasinya, dimana transformator tegangan memiliki ketelitian yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan transformator biasa. Transformator tegangan biasanya mengubah tegangan tinggi menjadi tegangan rendah. Misalnya pada sebuah Gardu distribusi yang mempunyai tegangan 20 KV dengan transformator tegangan diturunkan menjadi 200 Volt yang digunakan untuk pengukuran. Untuk mencegah terjadinya perbedaan tegangan yang besar antara kumparan primer dengan sekunder, karena adanya kerusakan isolasi pada kumparan primer, maka pada sisi sekunder perlu dipasang pembumian.



Gambar 2.35 Transformator Tegangan



Mesin Listrik I



2 - 26



Latihan : 1. Sebuah transformator satu fasa menyerap arus 0,75 Ampere saat sisi primer dihubungkan dengan tegangan suplai 220 volt, 50 Hz, sisi sekunder dalam keadaan terbuka. Daya yang diserap 64 Watt . Hitung besarnya arus inti ( I c ) dan arus magnetisasi ( I m ) . 2. Sebuah transformator satu fasa ideal mempunyai lilitan primer 525 dan sekunder 70 lilit. Sisi primer dihubungkan dengan tegangan suplai 3.300 Volt, bila rugi-rugi diabaikan, hitung besarnya tegangan sekunder dan berapa arus primer jika arus sekunder 250 Ampere . 3. Sebuah transformator satu fasa 50 Hz mempunyai lilitan primer 20 dan sekunder 273 lilit. Luas penampang inti transformator 400 Cm 2 . Bila kumparan primer dihubungkan dengan tegangan 220 Volt . Hitung nilai kerapatan flux dalam inti dan besarnya tegangan yang diinduksikan pada sisi sekunder . 4. Sebuah transformator satu fasa mempunyai lilitan primer 400 . Luas penampang inti 60 Cm 2 dan panjang jalur magnetik 0,8 m . Tegangan sisi primer 500 Volt, 50 Hz. Hitung besarnya kerapatan flux di dalam inti dan arus magnetisasi, bila diasumsikan permeabilitas relatif bahan inti 2000 . 5. Sebuah transformator satu fasa 30 KVA , 2400/120 Volt, resistansi sisi tegangan tinggi 0,1 Ohm dan reaktansinya 0,22 Ohm. Sisi tegangan rendah mempunyai resistansi 0,035 Ohm dan reaktansi 0,012 Ohm . Hitung : a. Resistansi , reaktansi , dan impedansi dengan refrensi ( acuan) sisi primer b. Resistansi , reaktansi , dan impedansi dengan refrensi (acuan) sisi sekunder 6. Sebuah transformator satu fasa 50 KVA , 4400/220 Volt , mempunyai R1  3,45 Ohm , X1  5,2 Ohm , R 2  0,009 Ohm , dan X 2  0,015 Ohm a. Resistansi , reaktansi, dan impedansi dengan refrensi ( acuan) sisi primer b. Resistansi , reaktansi, dan impedansi dengan refrensi (acuan) sisi sekunder c. Total rugi tembaga (Pcu primer dan sekunder) . 7. Sebuah transformator satu fasa mempunyai data sebagai-berikut : Perbandingan lilitan 19 : 5 ; R 1  25 Ohm , X1  100 Ohm , R 2  0,06 Ohm , dan X 2  0,25 Ohm . Arus beban nol 1,25 Ampere dan Leading dari Flux 30 . Sisi sekunder menyalurkan arus sebesar 200 Ampere pada tegangan terminal 500 Volt dan faktor daya 0,8 Lagging. Tentukan dengan bantuan Vektor diagram, tegangan sisi primer dan faktor daya pada sisi primer. Catt : V2  500Volt  5000  500  j0 I 2  200(0,8  j0,6) Z2  (0,06  j0,25)



Mesin Listrik I



2 - 27



8. Sebuah transformator satu fasa 230/460 Volt , sisi primer mempunyai resistansi 0,2 Ohm dan reaktansi 0,5 Ohm, sedangkan sisi sekunder mempunyai resistansi 0,75 Ohm dan reaktansi 1,8 Ohm. Hitung besarnya tegangan terminal sekunder saat menyalurkan arus 10 Ampere dengan faktor daya 0,8 lagging . 9. Sebuah transformator satu fasa 50 KVA , 4400/220 Volt , mempunyai R1  3,45 Ohm , X1  5,2 Ohm , R 2  0,009 Ohm , dan X 2  0,015 Ohm . Hitung besarnya tegangan terminal sisi sekunder saat transformator menyalurkan arus beban penuh dengan faktor daya 0,866 lagging . 10. Parameter Transformator satu fasa 2300/230 Volt, 50 Hz adalah sebagai berikut :



R1  0,286 Ohm



R 2'  0,319 Ohm



R C  250 Ohm



X 2'  0,73 Ohm X1  0,73 Ohm Xm  1250 Ohm Impedansi beban pada sisi sekunder Z L  0,387  j0,29 Ohm Hitung besarnya Daya input di sisi primer dan daya ouput di sisi sekunder, penyelesaian dengan menggunakan rangkaian ekuivalen . 11. Saat Transformator satu fasa dihubungkan dengan tegangan 1.000 Volt, 50 Hz, rugi intinya adalah 1.000 Watt, yang terbagi atas 650 Watt akibat rugi Histeris dan 350 Watt akibat rugi arus pusar (Eddy Current losss) . Apabila tegangan yang diberikan pada transformator dinaikkan menjadi 2.000 Volt dan frekuensinya 100 Hz , hitung rugi inti yang terjadi pada tegangan 2.000 Volt dan frekuensi 100 Hz tersebut . 12. Untuk memperoleh rangkaian ekuivalen dari sebuah transformator satu fasa 200/400 Volt, 50 Hz dilakukan tes tanpa beban dan hubung singkat . Dari hasil tes tersebut diperoleh data sbb : Tabel Hasil Pengujian (Tes) Transformator Tes Tegangan Arus (A) Daya Keterangan (Volt) (Watt) Beban Nol 200 0,7 70 Alat Ukur di Teg Rendah Hub Singkat 15 10 85 Alat Ukur di Teg Tinggi Hitung besarnya tegangan terminal sekunder saat menyalurkan daya 5 Kw dengan faktor daya 0,8 lagging , tegangan yang diberikan pada sisi primer 200 Volt . 13. Untuk memperoleh nilai R eq1 , X eq1 , R c , X m seperti diperlihatkan pada gambar rangkaian ekuivalen sebuah transformator satu fasa 4 KVA, 200/400 Volt , 50 Hz dilakukan tes tanpa beban dan hubung singkat . Dari hasil tes tersebut diperoleh data sbb : Tabel Hasil Pengujian (Tes) Transformator Tes Tegangan Arus (A) Daya (Watt) Keterangan (Volt) Beban Nol 200 0,7 70 Alat Ukur di Teg Rendah Hub Singkat 15 10 80 Alat Ukur di Teg Tinggi



Mesin Listrik I



2 - 28



Selain menentukan nilai parameter rangkaian, tentukan juga prosentase regulasi tegangan saat beban penuh dengan faktor daya a.) 0,8 Lagging dan b ) 0,8 Leading.



•



I ex Ih e



V1



Rc



R eq1



X eq1



I Xm



Mesin Listrik I



V2'



2 - 29



BAB III



Transformator Tiga Fasa Tujuan Pembelajaran Umum : 1. 2.



Memahami tentang prinsip kerja, konstruksi/susunan belitan dan inti, hubungan antara belitan transformator, dan macam-macam hubungan belitan transformator. Memahami tentang standard kode hubungan dan kerja paralel transformator tiga fasa.



Tujuan Pembelajaran Khusus 1. 2. 3. 4. 5.



Mahasiswa mampu menjelaskan tentang prinsip kerja dari transformator tiga fasa dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan dan menggambarkan hubungan antara belitan transformator dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang macam-macam hubungan belitan transformator Bintang, Segitiga, T - T, V - V, Zigzag dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang standard kode hubungan transformator tiga fasa dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan dan menggambarkan kerja paralel transformator 3 fasa dengan benar.



Lembar Informasi : Sebuah transformator tiga fasa secara prinsip sama dengan sebuah transformator satu fasa, perbedaan yang paling mendasar adalah pada sistem kelistrikannya yaitu sistem satu fasa dan tiga fasa. Sehingga sebuah transformator tiga fasa bisa dihubung bintang, segi-tiga, atau zig-zag. Transformator tiga fasa banyak digunakan pada sistem transmisi dan distribusi tenaga listrik karena pertimbangan ekonomis. Transformator tiga fasa banyak sekali mengurangi berat dan lebar kerangka, sehingga harganya dapat dikurangi bila dibandingkan dengan penggabungan tiga buah transformator satu fasa dengan “rating” daya yang sama. Tetapi transformator tiga fasa juga mempunyai kekurangan, diantaranya bila salah satu fasa mengalami kerusakan, maka seluruh transformator harus dipindahkan (diganti), tetapi bila transformator terdiri dari tiga buah transformator satu fasa, bila salah satu fasa transformator mengalami kerusakan. Sistem masih bisa dioperasikan dengan sistem “ open delta “.



Mesin Listrik I



3-1



3.1



Konstruksi Transformator



a. Bagian dalam Transformator b. Bagian luar Transformator Gambar 3.1 Konstruksi Tranformator Tiga Fasa



Secara umum sebuah transformator tiga fasa mempunyai konstruksi hampir sama, yang membedakannya adalah alat bantu dan sistem pengamannya, tergantung pada letak pemasangan, sistem pendinginan, pengoperasian, fungsi dan pemakaiannya. Bagian utama, alat bantu, dan sistem pengaman yang ada pada sebuah transformator daya (Gambar 3.1), adalah :  Inti Besi Transformator Seperti telah dijelaskan pada pembahasan transformator satu fasa inti besi berfungsi sebagai tempat mengalirnya fluks dari kumparan primer ke kumparan sekunder. Sama seperti transformator satu fasa, berdasarkan cara melilit kumparanya ada dua jenis, yaitu tipe inti (Gambar 3.2) dan tipe cangkang (Gambar 3.3).



Gambar 3.2 Transformator Tipe Inti



Gambar 3.3 Transformator Tipe Cangkang



Mesin Listrik I



3-2



 Kumparan Transformator Kumparan transformator terdiri dari lilitan kawat berisolasi dan membentuk kumparan. Kawat yang dipakai adalah kawat tembaga berisolasi yang berbentuk bulat atau plat. Kumparan-kumparan transformator diberi isolasi baik terhadap kumparan lain maupun inti besinya. Bahan isolasi berbentuk padat seperti kertas prespan, pertinak, dan lainnya.  MinyakTransformator Untuk mendinginkan transformator saat beroperasi maka kumparan dan inti transformator direndam di dalam minyak transformator, minyak juga berfungsi sebagai isolasi. Oleh karena itu minyak transformator harus memenuhi persyaratan, sebagai berikut :  Mempunyai kekuatan isolasi (Die-lectric Strength);  Penyalur panas yang baik dengan berat jenis yang kecil, sehingga partikel-partikel kecil dapat mengendap dengan cepat;  Viskositas yang rendah agar lebih mudah bersikulasi dan kemampuan pendinginan menjadi lebih baik;  Tidak nyala yang tinggi, tidak mudah menguap;  Sifat kimia yang stabil.  Tangki Transformator Tangki transformator berfungsi untuk menyimpan minyak transformator dan sebagai pelindung bagian-bagian transformator yang direndam dalam minyak. Ukuran tangki disesuaikan dengan ukuran inti dan kumparan.  Konservator Transformator Konservator merupakan tabung berisi minyak transformator yang diletakan pada bagian atas tangki. Fungsinya adalah :  Untuk menjaga ekspansi atau meluapnya minyak akibat pemanasan;  Sebagai saluran pengisian minyak.  Sistem Pendinginan Transformator Sistem pendinginan pada transformator dibutuhkan supaya panas yang timbul pada inti besi dan kumparan dapat disalurkan keluar sehingga tidak merusak isolasi didalam transformator. Media yang digunakan pada sistem pendinginan dapat berupa : udara/ gas, minyak dan air. Sirkulasinya dilakukan secara : alamiah (natural) dan atau paksaan (forced).  Bushing Transformator Bushing transformator adalah sebuah konduktor yang berfungsi untuk menghubungkan kumparan transformator dengan rangkaian luar yang diberi selubung isolator. Isolator juga berfungsi sebagai penyekat antara konduktor dengan tangki



Mesin Listrik I



3-3



transformator. Bahan bushing adalah terbuat dari porselin yang tengahnya berlubang (Gambar 3.4).



Gambar 3.4 Bushing Transformator



Gambar 3.5 Alat Pernafasan



 Alat Pernapasan Naik turunnya beban transformator dan suhu udara sekeliling transformator, mengakibatkan suhu minyak berubah-ubah mengikuti perubahan tersebut. Bila suhu minyak naik, minyak memuai dan mendesak udara diatas permukaan minyak keluar dari tangki dan bila suhu turun sebaliknya udara akan masuk. Keadaan ini merupakan proses pernapasan transformator. Tetapi udara luar yang lembab akan menurunkan nilai tegangan tembus minyak. Untuk mencegah hal itu transformator dilengkapi dengan alat pernafasan (Gambar 3.5) yang berupa tabung berisi zat hygros-kopis,seperti kristal silikagel.  Tap Changer Tap changer (Gambar 3.6) adalah alat yang berfungsi untuk mengubah perbandingan lilitan transformator untuk mendapatkan tegangan operasi pada sisi sekunder sesuai yang dibutuhkan oleh tegangan jaringan (beban) atau karena tegangan sisi primer yang berubah-ubah. Tap changer (perubahan tap) dapat dilakukan dalam keadaan berbeban (on load) atau keadaan tidak berbeban(off load). Untuk tranformator distribusi perubahan tap changer dilakukan dalam keadaan tanpa beban.  Sirip-sirip Pendingin atau Radiator Berfungsi untuk memperluas daerah pendinginan, yaitu daerah yang berhubungan langsung dengan udara luar dan sebagai tempat terjadinya sirkulasi panas.



Mesin Listrik I



3-4



Gambar 3.6 Tap Changer



 Alat Indikator Alat Indikator digunakan untuk memonitor kondisi komponen utama atau media bantu yang ada didalam transformator saat transformator beroperasi, seperti :  suhu minyak ;  permukaan minyak ;  sistem pendinginan ;  posisi tap.



Gambar 3.7 Indikator Level Minyak



Gambar 3.8 Indikator Temperatur



 Rele Buchholz (Buchholz Relay) Rele Buchholz biasa disebut juga rele gas, karena bekerjanya digerakan oleh pengembangan gas. Tekanan gas akan timbul bila minyak mengalami kenaikan temperatur yang diakibatkan oleh :  Hubung singkat antar lilitan pada atau dalam fasa;  Hubung singkat antar fasa;  Hubung singkat antar fasa ke tanah;  Busur api listrik antar laminasi;  Busur api listrik karena kontak yang kurang baik.



Gambar 3.9 Rele Buchholz Mesin Listrik I



3-5



Gas yang mengembang akan menggerakan kontak-kontak rangkaian alarm atau rangkaian pemutus.  Plat Nama Plat nama yang terdapat pada bagian luar transformator sebagai pedoman saat pemasangan maupun perbaikan. Data-data yang dicantumkan seperti : Phasa dan frekuensi, daya nominal, tegangan primer/sekunder,kelompok hubungan, arus nominal, % arus hubung singkat, sistem pendinginan, volume minyak, dan lain-lain. 3.2



Hubungan Transformator Tiga Fasa



Secara umum dikenal tiga cara untuk menyambung rangkaian listrik sebuah transformator tiga fasa, yaitu hubungan bintang, hubungan segitiga, dan hubu-ngan Zig-zag.  Hubungan Bintang – bintang Hubungan dari tipe ini lebih ekonomis untuk arus nominal yang kecil, transformator tegangan tinggi (Gambar 3.9). Jumlah dari lilitan perfasa dan jumlah isolasi minimum 1 karena tegangan fasa tegangan jala-jala (Line), juga tidak ada perubahan fasa 3 antara tegangan primer dengan sekunder. Bila beban pada sisi sekunder dari transformator tidak seimbang, maka tegangan fasa dari sisi beban akan berubah kecuali titik bintang dibumikan.



Gambar 3.10 Hubungan Bintang-bintang



Primer:



Vph1 



VL1 Volt dan I L1  I ph1 …………………………………………………….……(3-1) 3



Sekunder: Vph 2 



VL2 Volt 3



dan IL2  Iph 2Amp K  Vph 2 ………………………………………………(3-2) Vph1



Mesin Listrik I



3-6



 Hubungan Segitiga-Segitiga Hubungan ini umumnya digunakan dalam sistem yang menyalurkan arus besar pada tegangan rendah dan terutama saat kesinambungan dari pelayanan harus dipelihara meskipun satu fasa me-ngalami kegagalan (Gambar 3.10). Adapun beberapa keuntungan dari hubungan ini adalah :   



Tidak ada perubahan fasa antara tegangan primer dengan sekunder. 1 Luas penampang dari konduktor dikurangi karena arus fasa arus jala-jala 3 Tidak ada kesulitan akibat beban tidak seimbang pada sisi sekunder.



Kerugian yang terjadi pada hubungan ini adalah :  Lebih banyak isolasi dibutuhkan dibandingkan dengan hubungan bintang-bintang.  Tidak adanya titik bintang memungkin, merupakan kerugian yang dapat membahayakan. Bila salah satu jala-jala ke tanah karena kegagalan, tegangan maksimum antara kumparan dan inti akan mencapai tegangan jala-jala penuh.



Gambar 3.11 Hubungan Segitiga – segitiga Primer : VL1  Vph1 Volt dan I L1  3I ph1 …………………………………..….(3-3) Sekunder:



VL2  Vph 2 dan I L2  3I ph 2 …………………………………………………..(3-4) Vph 2 K Vph1  Hubungan Bintang - Segitiga Hubungan transformator tipe ini pada prinsipnya digunakan, dimana tegangan diturunkan (Step - Down), seperti pada jaringan transmisi. Pada hubungan ini, perbandingan te-



Mesin Listrik I



3-7



gangan jala-jala



1 3



kali perbandingan lilitan transformator dan tegangan sekunder ter-



tinggal 30  dari tegangan primer.



Gambar 3.12 Hubungan Bintang –Segitiga Primer : V Vph1  L1 Volt dan I L1  I ph1 Amp …………………………………………………………(3-5) 3



Sekunder : I Vph2  VL2 Volt dan I ph2  L2 Amp 3



K



....................................................................................(3-6)



Vph2 Vph1



 Hubungan Segitiga – Bintang Hubungan ini umumnya digunakan, dimana diperlukan untuk menaikkan tegangan (Step-Up), misalnya pada awal sistem transmisis tegangan tinggi. Dalam hubungan ini perbandingan tegangan 3 kali perbandingan lilitan transformator dan tegangan sekunder mendahului sebesar 30. Primer I VL1  Vph1 Volt dan I ph1  L1 A ………………………………………………….….(3-7) 3



Sekunder: V Vph2  L2 Volt dan I L2  I ph2 A ……………………………………………………(3-8) 3



K



Vph2 Vph1



Mesin Listrik I



3-8



Gambar 3.13 Hubungan Segitiga-Bintang



Daya Total Tiga Fasa : S = 3.VL .I L VA atau S  3.Vph.I ph VA …………………………………….……….(3-9) P = 3.VL .I L .Cos Watt …………………………………………………………..(3-10) Q = 3.VL .I L .Sin  Var ……………………………………………………..……(3-11)  Hubungan Zig - Zag Kebanyakan transformator distribusi selalu dihubungkan bintang, salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh transformator tersebut adalah ketiga fasanya harus diusahakan seimbang. Apabila beban tidak seimbang akan menyebabkan timbulnya tegangan titik bintang yang tidak diinginkan, karena tegangan pada peralatan yang digunakan pemakai akan berbeda-beda. Untuk menghindari terjadinya tegangan titik bintang, diantaranya adalah dengan menghubungkan sisi sekunder dalam hubungan Zig-zag. Dalam hubungan Zig-zag sisi sekunder terdiri atas enam kumparan yang dihubungkan secara khusus (Gambar 3.13) .



Gambar 3.14 Transformator Tiga Fasa Hubung Zig-zag Mesin Listrik I



3-9



Ujung-ujung dari kumparan sekunder disambungkan sedemikian rupa, supaya arah aliran arus didalam tiap-tiap kumparan menjadi bertentangan. Karena e1 tersambung secara berlawanan dengan gulungan e2, sehingga jumlah vektor dari kedua tegangan itu menjadi :



e Z1  e1  e 2 ; e Z 2  e 2  e3 e Z3  e3 _ e1



……………………………..…………………………(3-12)



_____________ e Z1  e Z2  e Z3  0  3e b , Teg titik bintang eb = 0 e e e1  , nilai tegangan fasa e z  3 ……………………………………………(3-13) 2 2 Sedangkan tegangan jala-jala : e EZ  eZ 3  3 ………………………………………………………………..(3-14) 2  Transformator Tiga Fasa dengan Dua Kumparan Selain hubungan transforamator seperti telah dijelaskan pada sub-bab sebelumnya, ada transformator tiga fasa dengan dua kumparan. Tiga jenis hubungan yang umum digunakan adalah :  V - V atau “ Open  “  “ Open Y - Open  “  Hubungan T – T



Gambar 3.15 Hubungan V-V atau Open 



Gambar 3.16 Hubungan Open Y -Open 



Misal tiga buah transformator satu fasa masing-masing mempunyai daya sebesar 10 KVA, bila dihubungkan V - V (Gambar 3.15) karena salah satu dilepas (sebelumnya dihubungkan segitiga) maka dayanya tidak 2 x 10 KVA = 20 KVA, tetapi hanya 0,866 x 20 KVA = 17,32 KVA. Hal ini bisa dibuktikan sebagai berikut : Mesin Listrik I



3 - 10



 Daya S saat dihubungkan  = 3.VL .I L VA ……………………………………………………………(3-15) I  I ph 2  L menjadi arus jala  jala 3 I   Daya S saat dihubungkan V - V = 3.VL . L   VL .I L VA …………..……(3-16)  3  Perbandingan daya saat Hubungan  dengan V -V adalah : 1 Ssaat V  V VL .I L  x100%  57,7%  Ssaat  3.VL .I L 3 Kekurangan Hubungan ini adalah :  Faktor daya rata-rata, pada V - V beroperasi lebih kecil dari P.f beban, kira-kira 86,6% dari faktor daya beban seimbang.  Tegangan terminal sekunder cenderung tidak seimbang, apalagi saat beban bertambah. Hubungan Open Y - Open  diperlihatkan pada Gambar 3.15, ada perbedaan dari hubungan V - V karena penghantar titik tengah pada sisi primer dihubungkan ke netral (ground). Hubungan ini bisa digunakan pada transformator distribusi.  Hubungan Scott atau T - T Hubungan ini merupakan transformasi tiga fasa ke tiga fasa dengan bantuan dua buah transformator (Kumparan). Satu dari transformator mempunyai “ Centre Taps “ pada sisi primer dan sekundernya dan disebut “Main Transformer“. Transformator yang lainnya mempunyai “0,866 Tap “ dan disebut “Teaser Transformer “. Salah satu ujung dari sisi primer dan sekunder “teaser Transformer” disatukan ke “ Centre Taps” dari “ main transformer “. “ Teaser Transformer” beroperasi hanya 0,866 dari kemampuan tegangannya dan kumparan “ main trnsformer “ beroperasi pada Cos 30  = 0,866 p.f, yang ekuivalen dengan “ main transformer “ bekerja pada 86,6 % dari kemampuan daya semunya.



Gambar 3.17 Hubungan Scott atau T-T



Mesin Listrik I



3 - 11



3.3 Pengujian Transformator Tiga Fasa Pengujian yang harus dilakukan pada sebuah transformator tiga fasa biasanya disesuaikan dengan kebutuhannya (pengujian rutin, pengujian awal, dan pengujian akhir), jenis pengujiannya juga cukup beragam, seperti :           



Pengujian Tahanan Isolasi Pengujian Tahanan Kumparan Pengujian Karektristik Beban Nol Pengujian Karektistik Hubung Singkat Pengujian Karakteristik Berbeban Pengujian Perbandingan Transformasi Pengujian Kelompok Hubungan Pengujian Tegangan Terapan Pengujian Tegangan Induksi Pengujian Kebocoran Tangki Pengujian Jenis



 Pengujian Tahanan Isolasi Pengujian tahanan isolasi biasanya dilaksanakan pada awal pengujian dengan tujuan untuk mengetahui secara dini kondisi isolasi transformator, untuk menghindari kegagalan yang bisa berakibat fatal, sebelum pengujian selanjutnya dilakukan. Pengujian dilaksanakan dengan menggunakan Megger. Tahanan isolasi yang diukur diantaranya :  Sisi Primer dan Sekunder  Sisi Primer dan pembumian  Sisi Sekunder dan pembumian  Pengujian Tahanan Kumparan Pengujian dilakukan dengan cara melakukan pengukuran tahanan kumparan transformator. Data hasil pengujian digunakan untuk menghitung besarnya rugi tembaga pada transformator tersebut.  Pengujian Karakteristik Beban Nol Pengujian Karakteristik Beban Nol atau Tanpa Beban dilakukan untuk mengetahui besarnya kerugian daya yang disebabkan oleh rugi hysterisis dan eddy current pada inti transformator dan besarnya arus yang pada daya tersebut. Pengukuran dilakukan dengan memberikan tegangan nominal pada salah satu sisi transformator dan sisi lainnya dibiarkan dalam keaadaan tanpa beban. Contoh untuk menghitung parameter-parameter transformator tiga fasa dari hasil percobaan beban nol bisa dilihat pada tabel 5.1. Persamaan yang terlihat pada tabel menandakan dimana alat ukur diletakkan.



Mesin Listrik I



3 - 12



Tabel 3.1 Parameter Pengujian Beban Nol



 Pengujian Karakteristik Hubung Singkat Pengujian dilakukan dengan cara memberikan arus nominal pada salah satu sisi transformator dan sisi yang lain dihubung singkat, dengan demikian akan dibangkitkan juga arus nominal pada sisi yang di hubung singkat. Adapun tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui besarnya rugi daya yang hilang akibat dari tembaga dari transformator saat beroperasi. Contoh untuk menghitung parameter-parameter transformator tiga fasa dari hasil percobaan hubung singkat bisa dilihat pada tabel 5.2 dengan asumsi sisi tegangan rendah di hubung singkat dan alat ukur ada di sisi tegangan tinggi, persamaan yang terlihat pada tabel menunjukan dimana alat ukur diletakan.  Pengujian Perbandingan Transformasi Pengujian perbandingan transformasi atau belitan kumparan adalah untuk mengetahui perbandingan jumlah kumparan sisi tegangan tinggi dan sisi tegangan rendah pada setiap tapping sehinggga tegangan keluaran yang dihasilkan oleh transformator sesuai dengan yang spesikasi/rancangan. Mesin Listrik I



3 - 13



Tabel 3.2 Parameter Pengujian Hub Singkat



 Pengujian Tegangan Terapan Pengujian tegangan terapan (Withstand Test) dilakukan untuk menguji kekuatan isolasi antara kumparan dan rangka tangki. Pengujian dilakukan dengan cara memberikan tegangan uji sesuai dengan standar uji dan dilakukan pada :  Sisi tegangan tinggi terhadap sisi tegangan rendah dan rangka tangki yang dibumikan.  Sisi tegangan rendah terhadap sisi tegangan tinggi dan rangka tangki yang dibumikan.  Pengujian Tegangan Induksi Tujuan pengujian tegangan induksi adalah untuk mengetahui kekuatan isolasi antara lapisan dari tiap-tiap belitan dan kekuatan isolasi antar belitan transformator. Pengujian dilakukan dengan cara memberi tegangan suplai dua kali tegangan nominal pada salah satu sisi dan sisi lainnya dibiarkan terbuka. Untuk mengatasi kejenuhan pada inti transformator maka frekuensi yang digunakan harus dinaikan sesuai dengan kebutuhan dalam jangka waktu tertentu.  Pengujian Kelompok Hubungan Vektor tegangan primer dan sekunder sebuah transformator sangat tergantung pada cara melilit kumparannya. Pada transformator Tiga Fasa arah tegangan menimbulkan per-



Mesin Listrik I



3 - 14



bedaan fasa. Arah dan besar perbedaan fasa tersebut menyebabkan adanya berbagai kelompok hubungan pada transformator.



Untuk penentuan kelompok hubungan ini dipergunakan tiga jenis tanda atau kode, yaitu :  Tanda Kelompok sisi tegangan tinggi terdiri atas kode D, Y, dan Z.  Tanda Kelompok sisi tegangan rendah terdiri atas kode d, y , dan z. Angka jam menyatakan bagaimana letak sisi kumparan tegangan tinggi terhadap sisi tegangan rendah.



Gambar 3.18 Kelompok Hubungan Dy5



Jarum jam panjang dibuat selalu menunjuk angka 12 dan berimpit dengan Vektor TT tegangan tinggi. Letak Vektor tegangan rendah TH menunjukkan arah jarum jam pendek. Sudut antara jarum jam panjang dan pendek adalah pegeseran antara vektor tegangan tinggi dengan tegangan rendah (V dan v). Gambar 3.17 memperlihatkan contoh kelompok hubungan sebuah transformator tiga fasa Dy5, artinya sisi primer dihubung segitiga (jam 12) dan sisi sekunder dihubung bintang (jam 5). Untuk memudahkan, pabrik-pabrik pada pelaksanaannya membatasi jumlah kelompok hubungan dengan membuat normalisasi pada kelompok hubungan yang dianggap baku. Standardisasi yang banyak diikuti adalah menurut peraturan Jerman, yaitu VDE 0532 (lihat tabel 5.3). Kelompok hubungan yang disarankan untuk digunakan adalah Yy0, Dy5, Yd5, dan Yz5, pada tabel diberi tanda garis pinggir warna merah.



Mesin Listrik I



3 - 15



Tabel 3.3 Kelompok Hubungan Menurut Standar VDE 0532



Mesin Listrik I



3 - 16



3.4 Penentuan Angka Jam Angka jam ( Kelompok Hubungan ) sebuah transformator dapat ditentukan berdasarkan data yang diperoleh dari hasil pengukuran pada transformator tersebut. Ada dua cara yang bisa dilakukan untuk penentuan kelompok jam berdasarkan hasil pengukuran tersebut.  Berdasarkan tabel Kelompok jam.  Berdasarkan Diagram Vektor. Untuk penentuan berdasarkan kelompok jam, perhatikan tabel dibawah ini : Tabel 3.4 Kelompok Jam



Kelompok Jam



Hubungan Tegangan



0



Ww < Vw = Wv > Ww < UV



1



Ww < Vw > Wv = Ww < UV



2



Ww < Vw > Wv < Ww < UV



3



Ww < Vw > Wv < Ww  UV



4



Ww < Vw > Wv < Ww > UV



5



Ww = Vw > Wv < Ww > UV



6



Ww > Vw = Wv < Wv > UV



7



Ww > Vw < Wv = Ww > UV



8



Ww > Vw < Wv >Ww  UV



9



Ww > Vw < Wv > Ww < UV



10



Ww > Vw = Wv > Ww < UV



11



Ww = Vw < Wv > Ww < UV



Latihan : 1. Sebuah Transformator 3 Fasa, 50 Hz, 22 KV/400 Volt mempunyai hubungan segitiga pada sisi primer dan bintang pada sisi sekunder. Faktor daya pada sisi sekunder 0,8 Lagging dan arus jala-jala pada sisi primer 5 Ampere. c.I L2 Hitung : a.I ph1 b.I ph2 d.Pout Trafo 2. Sebuah Transformator tiga fasa , 10.000 KVA, 230 KV/4160 Volt, 50 Hz bila ransformator dihubungkan a . -  b.  - Y c.  -  Tentukan nilai I ph1, I ph2 , Vph1,, Vph2 , dan K dari masing-masing hubungan diatas.



Mesin Listrik I



3 - 17



3. Sebuah transformator Tiga fasa yang terdiri dari tiga buah transformator satu fasa digunakan untuk menurunkan tegangan tegangan tiga fasa jala-jala ( line) transmisi 6000 Volt, jika arus jala-jala 10 A. Tentukan tegangan jala-jala pada sisi sekunder, arus jala-jala sekunder dan daya keluar (output) transformator untuk hubungan : a. -  b.  - Y bila perbandingan tranformasi 1/12 dan rugi-rugi diabaikan. 4. Sebuah transformator Tiga fasa, 500 KVA, 50 Hz , mempunyai perbandingan tegangan 33 KV/11 KV dan hubungan  / Y. Resistansi /fasa dari sisi tegangan tinggi 35 Ohm dan tegangan rendah 0,876 Ohm, Rugi besi 3050 Watt. Hitung nilai Efisiensi saat beban penuh dengan faktor daya 0,8 Lagging. 5. Sebuah Transformator Tiga fasa, 100 KVA, 50 HZ, 3300 V/400 V, hubungan / Y . Resistansi kumparan tegangan tinggi 3,5 Ohm/fasa dan kumparan sisi tegangan rendah 0,02 Ohm /fasa. Tentukan rugi besi dari transformator pada tegangan dan frekuensi normal, bila efisiensi beban penuhnya 95% dengan faktor daya 0,8 Lagging. 6. Sebuah Transformator 100 KVA, 6600 V/220 Volt, hubungan Y / Y, tiga fasa 50 Hz, transformator mempunyai rugi inti 1200 Watt. Efisiensi maximum terjadi saat 3/4 beban penuh. Tentukan Efisiensi transformator saat : a. Beban penuh dengan P.f = 0,8 Lagging. b. 1/2 beban penuh dengan P.f = 0,866 Lagging c. 3/4 beban penuh dengan p.f = 1 (Unity ). 7. Pengujian Tanpa beban dan hubung singkat dari sebuah transformator Tiga fasa, 50 KVA , 7200 Volt /208 V, 60 Hz ,hubungan  / Y , hasilnya sebagai berikut: Test tanpa beban : Poc = 500 W ; Ioc = 8 A ; Voc = 208 V Test Hubung Singkat : Psc = 600 W ; Isc = 4,01 A ; Vsc = 370 V Tentukan : a) Rc , Xm , Req2 , adan Xeq2 b) Regulasi tegangan saat beban penuh dengan faktor daya 0,8 lagging. 8. Suatu beban 500 KVA dengan P.f 0,8 lagging akan dibagi dengan dua buah transformator Tiga Fasa A dan B dengan rating sama . Bila ekuivalen impedansi segitiga sebagai refrensi sekunder ( 2 + j 6) Ohm untuk transformator A dan (2 + j 5) Ohm untuk transformator B. Hitung beban yang disuplai oleh masing-masing transformator tersebut.



Mesin Listrik I



3 - 18



BAB IV Generator Arus Searah



Tujuan Pembelajaran Umum : Memahami tentang konstruksi, prinsip kerja, lilitan jangkar, sistem penguatan, efisiensi, dan karakteristik generator arus searah. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. 2. 3. 4. 5. 6.



Mahasiswa mampu menjelaskan tentang konstruksi sebuah mesin arus searah dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan proses terjadinya tegangan induksi pada mesin arus searah dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan proses terjadinya reaksi jangkar pada sebuah mesin arus searah dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang lilitang jangkar sebuah mesin arus searah dengan benar. Mahasiswa mampu merencanakan lilitan gelung pada mesin arus searah dengan benar. Mahasiswa mampu pada merencanakan lilitan gelombang pada sebuah mesin arus searah dengan benar.



7.



Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat terpisah generator arus searah dengan benar. 8. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat sendiri shunt generator arus searah dengan benar. 9. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat sendiri seri generator arus searah dengan benar. 10. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat sendiri kompon generator arus searah dengan benar. 11. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang efisiensi generator arus searah dengan benar. 12. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang karakteristik generator arus searah dengan benar.



Lembar Informasi : 4.1 Konstruksi Mesin Arus Searah Ada tiga hal pokok yang menjadi dasar kerja sebuah mesin listrik, yaitu : Adanya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnit. Adanya kawat penghantar listrik, yang merupakan tempat terbentuknya gaya gerak listrik (Ggl) atau aliran arus listrik.  Gerakan relatif antara fluk magnet dengan kawat penghantar listrik. Dalam hal ini boleh magnitnya tetap, sedangkan kawat penghantarnya yang bergerak atau sebaliknya.  



Mesin Listrik



4- 1



Gambar 4.1 Konstruksi Mesin Arus Searah Konstruksi sebuah Mesin Arus Searah dapat dibagi atas : Bagian Stator :  Rangka generator atau Motor  Inti kutub magnet dan Lilitan Pe-nguat Magnet  Sikat Komutator Bagian Rotor  Komutator  Jangkar  Lilitan Jangkar



4.1.1 Rangka ( Frame ) Fungsi utama dari rangka mesin adalah sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks magnet. Karena itu rangka mesin dibuat dari bahan ferromagnetik. Seiain itu rangkapun befungsi untuk meletakkan alat-alat tertentu dan melindungi bagian-bagian mesin lainnya. Mesin-mesin yang kecil rangkanya dibuat dari besi tuang, sedangkan mesinmesin yang besar rangkanya dibuat dari plat campuran baja yang berbentuk selinder. 4.1.2 Inti Kutub Magnet dan Lilitan Penguat Magnet Fluks magnet yang terdapat pada mesin listrik dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. Kutub magnet diberi lilitan penguat magnet yang berfungsi untuk tempat aliran arus listrik supaya terjadi proses elektromagnetisme. Pada dasarnya kutub magnit terdiri dari dua bagian pokok, yaitu inti kutub magnet dan sepatu kutub magnet. Karena kutub magnet berfungsi menghasilkan fluks magnet, maka kutub magnet dibuat dari bahan ferromagnetik, misalnya campuran baja-silikon. Disamping itu, kutub magnet dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas karena adanya arus pusar yang terbentuk pada kutub magnet buatan tersebut .



Mesin Listrik



4- 2



4.1.3 Sikat Komutator Fungsi utama sikat adalah sebagai penghubung untuk aliran arus dari lilitan jangkar ke terminal luar (generator) atau dari terminal luar ke lilitan jangkar (Motor). Karena itu sikat sikat dibuat dari bahan konduktor. Disamping itu sikat juga berfungsi untuk terjadinya komutasi, berrsama-sama dengan komutator, bahan sikat harus lebih lunak dari bahan komutator.



Gambar 4.2 Konstruksi Sikat Komutator Supaya hubungan/kontak antara sikat-sikat yang diam dengan komutator yang berputar dapat sebaik mungkin, maka sikat memerlukan alat pemegang dan penekan berupa per/pegas yang dapat diatur. Memilih bahan yang digunakan untuk suatu sikat, perlu memperhatikan :  Putaran mesin;  Kerapatan arus yang melalui sikat;  Tekanan sikat terhadap komutator. 4.1.4 Komutator Seperti diketahui komutator berfungsi sebagai alat penyearah mekanik, yang ber -sama-lama dengan sikat memben-tuk suatu kerjasama yang disebut komutasi. Supaya menghasilkan penyearah yang lebih baik, maka komutator yang diguna-kan jumlahnya banyak. Karena itu tiap belahan/segmen komutator tidak lagi merupakan bentuk sebagian selinder, tetapi sudah berbentuk lempeng-lempeng. Diantara setiap lempeng/ segmen komutator terdapat bahan isolator. Iso-lator yang digunakan menentukan kelas dari mesin berdasarkan kemampuan suhu yang timbul dalam mesin tersebut. Jadi disamping sebagai isolator terha-dap listrik isolator yang digunakan harus mampu terhadap panas tersebut. Berda-sarkan jenis isolator yang digunakan terhadap kemampuan panas ini maka mesin DC dikenal atas : • Kelas A : Maks 700 C •



Kelas B



: Maks



1100 C



•



Kelas H



: Maks



1850 C



Mesin Listrik



4- 3



Gambar 2.3 Proses Terbentuknya Ggl pada Sisi Kumparan Generator Tegangan yang dibangkitkan pada sisi kumparan sebuah generator arus searah, sebenarnya adalah dalam bentuk gelombang arus bolak balik, selanjutnya komutator akan mengubah menjadi arus searah. Proses perubahan arus bolak-balik menjadi arus searah oleh komutator bisa dijelaskan sebagai berikut :



Gambar 2.4 Proses Penyearahan Tegangan pada Generator Arus Searah Komutator 1 dihubungkan dengan sisi kumparan 1 dan Komutator 2 dengan sisi kumparan 2. Jadi kalau kumparan berputar, maka sikat komutator akan bergesekan dengan komutator secara bergantian. Peristiwa pergesekan/perpindahan sikat dari satu komutator ke komutator berikutnya biasa disebut komutasi. Peristiwa komutasi inilah yang menyebabkan terjadinya penyearahan.



Mesin Listrik



4- 4



4.1.5 Jangkar Jangkar yang umum digunakan dalam mesin arus searah adalah yang berbentuk silinder, yang diberi alur pada bagian permukaannya untuk melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya Ggl imbas. Jangkar dibuat dari bahan yang kuat yang mempunyai sifat ferromagnetik dengan permeabilitas yang cukup besar, dengan maksud agar kumparan lilitan jangkar terletak dalam daerah yang imbas magnetnya besar sehingga ggl yang terbentuk dapat bertambah besar.



Gambar 4.5 Jangkar Generator Arus Searah  Lilitan Jangkar Lilitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya Ggl imbas. Lilitan jangkar terdiri atas beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan dapat tediri atas lilitan kawat atau lilitan batang.



Gambar 4.6 Lilitan Jangkar



Gambar 4.7 Letak Sisi-sisi Kumparan dalam Alur Z = Jumlah penghantar/kawat jangkar atau batang jangkar. Zs = Jumlah kawat tiap sisi kumparan S = Jumlah sisi kumparan. Tiap-tiap kumparan mempunyai dua sisi kumparan dan jumlahnya harus genap. Pada tiap-tiap alur bisa dipasang dua sisi kumparan atau lebih dalam dua lapisan bertumpuk (Gambar 4.7). Dalam tiap-tiap alur terdapat 2U sisi kumparan, maka jumlah alur G



Mesin Listrik



4- 5



adalah : G 



S 2U



Bila dalam tiap-tiap kutub mempunyai 8 s/d 18 alur, maka : G = (8 – 18) 2p



Tiap-tiap kumparan dihubungkan dengan kumparan berikutnya melalui lamel komutator, sehingga semua kumparan dihubung seri dan merupakan rangkaian tertutup. Tiaptiap lamel dihubungkan dengan dua sisi kumparan sehingga jumlah lamel k, adalah : S=2.k



Z  2. k ZS Z k  2. Z S Bila dalam tiap-tiap alur terdapat dua sisi kumparan (U = 1) maka jumlah lamel juga sama dengan jumlah alur G 



S 2. k  k=U.G 2 .U 2 .u



 Lilitan Gelung



Gambar 4.8 Prinsip Lilitan Gelung Jika kumparan dihubungkan dan dibentuk sedemikian rupa sehingga setiap kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya maka hubungan itu disebut lilitan gelung. Perhatikan gambar 4.8 Prinsip Lilitan gelung. Y = kisar lilitan, yang menyatakan jarak antara lamel permulaan dan lamel berikutnya melalui kumparan. YC = kisar komutator, jumlah lamel yang melalui komutator. Y1, Y2 = kisar bagian.



Mesin Listrik



4- 6



Y = Y1 + Y2 = 2.YC Pada lilitan gelung kisar bagian Y2 mundur atau negatif. Tiap kumparan mempunyai satu sisi benomor ganjil dan satu sisi bernomor genap, karena itu Y 1 dan Y2 selamanya harus merupakan bilangan ganjil. Kisar bagian Y1 ditetapkan oleh Iebar kumparan, diperkirakan sama dengan jarak kutub-kutub . Bila lebar kumparan dinyatakan dengan jumlah alur, biasanya dinyatakan dengan kisar Yg . Yg =



G G  Yg  2p 2p



Kisar bagian Y1 biasanya dinyatakan dengan sejumlah sisi kumparan yang harus dilalui supaya dari sisi yang satu sampai pada sisi berikutnya. Di dalam tiap-tiap alur dimasukkan sisi kumparan 2U dan secera serempak beralih dari lapisan atas ke lapisan bawah karena itu Y1 = 2 . U . Y g + 1



Kisar bagian Y1 menentukkan cara menghubungkan ujung kumparan yang satu dengan kumparan berikutnya melalui lamel komutator, kisar Y 2 biasa disebut juga kisar hubung. Y2 = 2 . YC – Y1



Contoh : 2p = 2,G = k = 8, S =16, dan U = 1 rencanakan lilitan gelung tunggalnya : G 8  4 Yg  YC = 1 2p 2 Y1 = 2 . U . Yg + 1 Y2 = 2. YC –Y1 = 2 .1 . 4 + 1 =2.1-9 =9 = -7 Tabel 4.1 Hubungan Sisi Kumparan dengan Lamel Lilitan Gelung LAMEL 1 2 3 4 5 6 7 8



SISI KUMPARAN 1 3 5 7 9 11 13 15



-



Mesin Listrik



10 12 14 16 2 4 6 8



LAMEL 2 3 4 5 6 7 8 1



4- 7



Gambar 4.9 Lilitan Gelung Tunggal



 Lilitan Gelung Majemuk



Lilitan Gelung Majemuk terdiri dari dua lilitan gelung tunggal atau lebih yang dililit secara simetris antara yang satu dengan yang lainnya. Pada lilitan gelung tunggal banyaknya cabang paralel sama dengan banyaknya jumlah kutub (2p) dari mesin tersebut, sedangkan pada lilitan gelung majemuk yang mempunyai m gelung tunggal, banyaknya cabang paralel adalah: a=m.p. Yc = m Y2 = 2 . m – Y1



sedangkan untuk menentukan Y1 sama seperti pada lilitan gelung tunggal. Untuk mendapatkan lilitan gelung majemuk tertutup ujung lilitan terakhir harus kembali lagi ke lamel permulaan.  Lilitan Gelombang Lilitan Gelombang Tunggal



Pada lilitan gelombang kisar komutator Yc lebih besar bila dibandingkan dengan Yc pada lilitan gelung .



Mesin Listrik



4- 8



Gambar 4.10 Prinsip Lilitan Gelombang Kisar bagian pada lilitan gelombang mempunyai nilai positif(maju). k 1 Yc  p Contoh : 2p = 4 ; S = 42 ; G = k = 21 ; u = 1 21 1 Yc   Yc = 10 atau 11, 2 kita ambil Yc = 10 YG 



G 21 1  5 , 2p 4 4



kita bulatkan menjadi 5 Y1  2 . u . YG + 1 = 2 .1.5 + 1 = 11 dan Y2 = 2 . Yc – Y1 = 2 . 10 – 11 = 9



Tabel 4.2 Hubungan Sisi Kumparan dengan Lamel Lilitan Gelombang LAMEL 1 11 21 10 20 9 19 8 18 7 17 6



SISI KUMPARAN 1 - 12 21 - 32 41 - 10 19 - 30 39 - 8 17 - 28 37 - 6 15 - 26 35 - 4 13 - 24 33 - 2 11 - 22



Mesin Listrik



LAMEL 11 21 10 20 9 19 8 18 7 17 6 16



4- 9



LAMEL 16 5 15 4 14 3 13 2 12



SISI KUMPARAN 31 - 42 9 - 20 29 - 40 7 - 18 27 - 38 5 - 16 25 - 36 3 - 14 23 - 34



LAMEL 5 15 4 14 3 13 2 12 1



Pada lilitan gelombang tunggal banyaknya sikat yang dibutuhkan hanya dua buah, tidak tergantung pada jumlah kutubnya. Lilitan Gelombang Majemuk Apabila nilai arus atau tegangan yang diperlukan tidak bisa dipenuhi dengan lilitan gelung atau gelombang tunggal, maka diatasi dengan lilitan gelombang majemuk. Lilitan gelombang majemuk terdiri dari dua lilitan gelombang tunggal atau lebih. Tiapdap lilitan gelombang tunggal terdiri dari dua cabang paralel, untuk gelombang majemuk a = 2 . m Yc 



k m p



Gambar 4.11 Lilitan Gelombang Tunggal Berdasarkan penjelasan diatas maka dapat dilihat perbedaan-perbedaan yang terdapat pada lilitan gelung dan gelombang yaitu :



Mesin Listrik



4 - 10



Lilitan Gelung 1. Untuk generator bertegangan rendah, arus besar. 2. Ujung-ujung kumparan disambung pada lamel yang berdekatan. 3. Pada lilitan gelung tunggal, arus yang mengalir pada jangkar terbagi sesuai dengan jumlah kutub. 4. Pada lilitan gelung majemuk, arus yang mengalir terbagi sesuai dengan rumusan a = m . p. 5. Sisi kumparan terbagi pada dua bagian, yaitu terletak dihadapan kutub utara dan kutub selatan. Lilitan Gelombang 1. Untuk generator bertegangan tinggi, arus rendah. 2. Pada lilitan gelombang tunggal ujung-ujung kumparai dihubungkan pada lamel komutator dengan jarak mendekati 3600 Listrik. 3. Jumlah cabang paralel pada lilitan gelombang tunggal adalah 2 (dua), walaupun jumlah kutubnya > 2. 4. Pada lilitan gelombang tunggal penghantar-penghantar pada masing-masing cabang, diletakkan terbagi rata pada seluruh permukaan kutub-kutubnya. 5. Lilitan gelombang majemuk digunakan jika dengan lilitan gelung atau gelombang tunggal arus atau tegangan yang diperlukan tidak tercapai. 2.2 Tegangan Induksi Tegangan Induksi jangkar atau Ggl Jangkar dibangkitkan pada kumparan-kumparan jangkar dari sebuah generator. Nilai tegangan ini bisa dihitung berdasarkan persamaanpersamaan dibawah ini :  = Fluks per kutub dalam Weber Z = Jumlah penghantar (kawat) dari = Jumlah Alur (G) x Jumlah penghantar per alur 2p = P = Jumlah kutub pada generator a = Banyaknya cabang paralel N = Putaran jangkar dalam Rpm E = Tegangan yang diinduksikan pada jangkar dalam Volt.



d Volt dt Fluks terpotong per penghantar dalam satu putaran, d =  . P Weber N Jumlah putaran /detik  - N 60 Waktu untuk satu putaran, 60 dt  N Ggl Induksi/penghantar d  .P.N   V dt 60 GgI rata-rata yang diinduksikan pada tiap penghantar 



Mesin Listrik



4 - 11



Untuk Lilitan Gelombang Jumlah cabang paralel = 2 Jumlah penghantar terhubung seri dalam satu cabang   Ggl Induksi/Cabang  .P.N Z  .Z .P.N  x  Volt 60 A 120



Z 2



Untuk Lilitan Gelung Jumlah cabang paralel = a Jumlah penghantar terhubung seri dalam satu cabang 



Z a



Ggl Induksi/cabang  .P.N Z  x Volt 60 a Rumus secara umum untuk Ggl Induksi pada jangkar,  .Z .N Z x Volt E  60 a 2.3 Reaksi Jangkar Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 4.12). Fluks ini memotong belitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi, bila generator dibebani maka pada peng-hantar jangkar timbul arus jangkar. arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 4.13). Selanjutnya perhatikan gambar 4.14, disini terlihat fluks medan utama disebelah kiri kutub utara dilemahkan oleh sebagian fluks medan lintang (jangkar) dan disebelah kanan diperkuat. Sedangkan pada kutub selatan fluks medan utama disebelah kanan diperlemah dan disebelah kiri diperkuat oleh fluks medan lintang. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral teoritis AB, tetapi bergeser sebesar sudut  sehingga tegak lurus pada garis netral teoritis A' B'. Sikat yang diletakkan pada permukaan komutator yang terletak pada garis netral AB harus digeser letaknya supaya tidak timbul bunga api. Sikat harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan.



Mesin Listrik



4 - 12



Gambar 4.12 Fluks Medan Utama



Gambar 4.13 Fluks Medan Jangkar



Gambar 4.14 Reaksi Jangkar



2.4 Hubungan Generator Arus Searah Berdasarkan sumber arus kemagnitan untuk lilitan kutub magnit, maka dapat dibedakan atas :  Generator dengan Penguat Terpisah, jika arus untuk lilitan kutub magnit berasal dari



sumber arus searah yang terletak di luar generator.  Generator dengan Penguat Sendiri, jika arus untuk lilitan kutub magnit berasal dari generator itu sendiri. 2.4.1 Generator Penguat Terpisah Dengan terpisahnya sumber arus searah untuk lilitan medan dan generator, berarti besar kecilnya arus medan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus atau-pun tegangan pada generator (Gambar 4.15).



Mesin Listrik



4 - 13



Gambar 4.15 Generator Penguat Terpisah



Em Rm Ia = IL



Persamaan arus: Im 



Persamaan Tegangan : E = V +Ia . Ra + 2e V = IL . RL Pj =E. la Watt PL = V . IL Watt Keterangan : Im = Arus penguat magnit Em = Tegangan sumber penguat magnit Rm = Tahanan lilitan penguat magnit Ia = Arus jangkar IL = Arus beban Pj = Daya jangkar V = Tegangan terminal jangkar e = Kerugian tegangan pada sikat Ra = Tahanan lilitan jangkar RL = Tahanan beban PL = Daya keluar (beban)



2.4.2



Generator Penguat Sendiri



Karena generator jenis ini memperoleh arus untuk lilitan medan dari dalam generator itu sendiri, maka dengan sendirinya besarnya arus medan akan terpengaruh oleh nilai-nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator. Hal ini akan tergantung pada cara hubungan Iilitan penguat magnit dengan lilitan jangkar.



Mesin Listrik



4 - 14



a. Generator Shunt



Gambar 4.16 Generator Shunt Persamaan arus : Ia = IL + Ish V Ish  Rsh Persamaan Tegangan : E = V + Ia . Ra + 2e V = IL . RL b. Generator Seri



Gambar 4.17 Generator Seri Persamaan arus : Ia = Is = IL



Mesin Listrik



4 - 15



Persamaan Tegangan : E = V + Ia . Ra + Is . Rs + 2e = V + Ia (Ra + Rs) + 2e c. Generator Kompon



Pada generator kompon lilitan medan penguat yang terdapat pada inti kutub magnit terdapat 2 (dua), yaitu untuk seri dan shunt. Berdasarkan cara meletakkan lilitan tersebut maka dapat dibentuk hubungan. Generator kompon panjang dan generator kompon pendek. c.1 Generator Kompon Panjang



Gambar 2.18 Generator Kompon Panjang Persamaan arus : Is = Ia Ia = IL + Ish Persamaan Tegangan : E = V . Ia (Ra + Rs) + 2c c.2 Generator Kompon Pendek



Gambar 4.19 Generator Kompon Pendek



Mesin Listrik



4 - 16



2.5 Efisiensi Rugi – rugi yang terjadi dalam sebuah generator arus searah dapat dibagi sebagai berikut:



Gambar 4.20 Rugi-rugi pada Generator Arus Searah 



Rugi Tembaga a. Rugi Tembaga jangkar = Ia2 .Ra Watt b. Rugi Tembaga Medan Shunt = Ish2. Rsh Watt c. Rugi Tembaga Medan Seri = Is2 . Rs Watt 



Rugi Inti a. Rugi Hysterisis b. Eddy Currents



, Ph  B max1.6 . f , Pe  B max2 . f2







Rugi Mekanis a. Rugi gesekan pada poros b. Rugi angin akibat putaran jangkar. c. Rugi gesekan akibat gesekan sikat dengan komutator.



Gambar 4.21 Diagram Aliran Daya pada Generator Arus Searah



Mesin Listrik



4 - 17



Diagram aliran daya dari sebuah generator dc bias diilustrasikan seperti diperlihatkan pada gambar 4.21. Rugi Besi dan Gesekan = Daya Masuk Mekanis (Pm) - Daya Jangkar (Pj) Rugi Tembaga Total



= Daya Jangkar (Pj) - Daya Keluar Generator (Pout)



Efisiensi Mekanis m 



Daya yangdibangkitk an jangkar x 100% DayaMasukMekanis



Efisiensi Listrik I







DayaKeluar Generator x 100% Dayadibangkitk an jangkar



Efisiensi Total t







DayaKeluar Generator x 100% DayaMasukMekanis



2.6 Karakteristik Generator 



 



Karakteristik Beban Nol (Eo / Im) Memperlihatkan hubungan antara pembangkitan Ggl tanpa beban (beban nol) dalam jangkar (Eo) dan arus medan (lm) pada kecepatan konstan. Karakteristik Dalam atau Total (E/Ia) Memperlihatkan hubungan antara Ggl E yang diinduksikan secara nyata dalam jangkar dan arus jangkar Ia. Karakteristik Luar (V/Ia) Memperlihatkan hubungan antara tegangan terminal V dan arus be-ban I. Kurva ini dibawah karakteris-tik dalam, karena itu perhitungan bisa diambil dari kerugian tegangan diatas resistansi jangkar.



2.6.1 Generator Penguat Terpisah a. Karakteristik Beban Nol



Gambar 4.22 Rangkaian Generator Beban Nol



Mesin Listrik



4 - 18



Rangkaian untuk memperoleh data yang diperlukan untuk membuat kurva beban nol diperlihatkan pada gambar 4.22. Bila arus medan dinaikkan secara ber-tahap dengan menggunakan rheostat dan nilai perubahan arusnva dibaca dengan Ampermeter yang dihubungkan pada rangkaian .Z.N P x Volt, bila medan. Persamaan Tegangan untuk Generator DC adalah : E  60 a kecepatan dijaga konstan maka : E = c . . Penambahan arus medan akan mengakibatkan kenaikkan tegangan yang didistribusikan sampai mencapai daerah saturasi. b. Karakteristik Berbeban Gambar 4.23 memperlihatkan Generator DC saat berbeban. Kurva generator DC penguat terpisah saat dibebani (Gambar 4.24) dapat diambil dari kurva beban nol dengan cara menguranginya dengan kerugian akibat reaksi jangkar dan resistansi jangkar.



Gambar 4.23 Rangkaian Generator Berbeban c. Karakteristik Dalam dan Luar Perhatikan kembali gambar 4.24, pada waktu generator dibebani maka timbul penurunan tegangan akibat reaksi jangkar dan resistansi jangkar. Apabila penururtan tegangan akibat reaksi jangkar dikurangkan dengan Eo, maka akan diperoleh E (kurva II) yang menunjukkan tegangan yang sebenarnya yang terjadi pada jangkar saat generator dibebani. Selanjutnya bila kerugian tegangan akibat resistansi jangkar Ia.Ra dikurangkan terhadap E maka akan diperoleh tegangan terminal V (kurva III). Kurva II memperlihatkan Karakteristik Dalam dan Kurva III Karakteristik Luar.



Mesin Listrik



4 - 19



Gambar 4.24 Kurva Generator Arus Searah saat Dibebani 2.6.2 Kurva Beban Nol Generator Penguat Sendiri Kurva beban nol dari generator penguat sendiri (Generator Shunt dan Seri) bisa didapat dengan cara melepaskan kumparan medan dari generator dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah dari luar .



Gambar 4.25 Percobaan Beban Nol Generator Penguat Sendiri



Mesin Listrik



4 - 20



Seperti halnya pengambilan data untuk generator dengan penguat terpisah, pada penguat sendiripun arus medan ini diatur secara bertahap dengan rheostat pada kecepatan konstan. Sebagai akibat adanya magnet sisa pada kutub magnet, walaupun Im = 0 sudah terjadi sedikit Ggl sehingga kurva akan dimulai diatas 0 (nol) . a. Resistansi Kritis Generator Shunt Untuk menentukan resistansi kritisnya, maka generator dihubungkan sebagai generator shunt. Perhatikan gambar 4.26, Titik P terletak pada garis resis-tansi medan penguat OA. Garis OA digambarkan dengan kemiringan yang sama dengan resistansi kumparan Volt penguat OA (R) =  Ampere



Gambar 4.26 Resistansi Kritis Generator Shunt Tegangan OL merupakan tegangan maksimum pada saat generator mempunyai nilai resistansi medan R. Bila resistansi medan penguat diturunkan menjadi OB maka tegangan yang dibangkitkan menjadi OL. Sebaliknya bila resistansi dinaikkan terus sehingga tidak, memotong kurva beban nol (OT) maka tegangan tidak akan dibangkitkan. Nilai resistansi yang terletak sepanjang garis kemiringan dimana tegangan masih bisa dibangkitkan disebut resistansi kritis (Rc). Resistansi kritis ini merupakan tangen dari kurva. b. Karakteristik Beban Nol pada Kecepatan yang Berbeda Kurva beban nol dengan kecepatan yang berbeda, digambarkan dengan kurva N1 dan N2 (Gambar 4.27). Karena perubahan tegangan E sebanding dengan perubahan N pada nilai Im yang sama, maka : E2 N 2 N atau E2 = E1 2  E1 N1 N1 E1 = HC bila N1



Mesin Listrik



4 - 21



untuk lm = OH , E1 = HC bila N1 Im = OH , E2 = HD Bila N2  E2 = HC x



N2 N1



Gambar 4.27 Karakteristik Beban Nol pada Kecepatan Berbeda c. Kecepatan Kritis Kecepatan kritis dari sebuah generator shunt adalah kecepatan dimana resistansi kumparan medan magnet yang ada menunjukkan resistansi kritis. Pada gambar 4.28 kurva 2 memperlihatkan kecepatan kritis sebab garis Rsh merupakan resistansi kritis.



Gambar 4.28 Kurva Kecepatan Kritis Contoh : Karakteristik beban nol dari sebuah generator arus searah shunt yang berputar pada kecepatan 1000 Rpm adalah sebagai berikut : E0(V) 52,5 107,5 155 196,5 231 256,5 275 287,5 298 308 Im(A) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10



Mesin Listrik



312 11



4 - 22



Perkiraan tegangan beban nol (E0) yang akan terjadi bila putaran 800 Rpm dan resistansi medan 30 Ohm . Jawab :



Gambar 4.29 Contoh Karakteristik Beban Nol Misal : - Im = 5A, lalu kalikan dengan 30 Ohm (5 x 30 = 150 Volt) - Buat titik B (5 A, 150 Volt). - Buat garis dari titik 0 melalui B, dan memotong di A. - Buat garis horizontal dari titik A ke sumbu Y dan memotong di M. - OM menunjukkan tegangan maksimum yang dibangkitkan generator dengan resistansi medan 30 Ohm dan kecepatan 1000 Rpm, OM = 310 Volt. Untuk mendapatkan ggl induksi saat N= 800 Rpm, harus dibuat kurva baru dengan menganggap ggl sebanding dengan perubahan kecepatan. Semua nilai tegangan pada 800 1000 Rpm dikalikan dengan = 0,8 dan kurva untuk N = 800 Rpm dibuat: 1000 E0 (volt)



42



Im (Amp) 1



86 124 157, 184, 212, 220 230 2 8 4 2 3 4 5 6 7 8



- dengan Rsh = 30 Ohm, ON = 230 Volt d. Karakteristik Luar Seperti telah dijelaskan sebelumnya, bahwa tegangan terminal generator akan turun apabila terjadi penambahan beban. Ada tiga penyebab pokok yang mengakibatkan turun Mesin Listrik



4 - 23



tegangan terminal generator shunt saat berbeban (1) Kerugian tegangan pada resistansi jangkar ; (2) Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar ; (3) Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya suplai arus penguat ke medan magnet sehingga Ggl induksi menjadi kecil .



Gambar 2.30 Generator Arus Searah Shunt Berbeban  Rangkuman 1. Ada tiga hal pokok yang menjadi dasar kerja sebuah mesin listrik, yaitu :  Adanya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnit.  Adanya kawat penghantar listrik, yang merupakan tempat terbentuknya gaya gerak listrik (Ggl) atau aliran arus listrik.  Gerakan relatif antara fluk magnet dengan kawat penghantar listrik. Dalam hal ini boleh magnitnya tetap, sedangkan kawat penghantarnya yang bergerak atau sebaliknya. 2. Konstruksi sebuah Mesin Arus Searah dapat dibagi atas : Bagian Stator :  Rangka generator atau Motor  Inti kutub magnet dan Lilitan Pe-nguat Magnet  Sikat Komutator Bagian Rotor  Komutator  Jangkar  Lilitan Jangkar



Mesin Listrik



4 - 24



3. Lilitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya Ggl imbas. Lilitan jangkar terdiri atas beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan dapat tediri atas lilitan kawat atau lilitan batang. 4. Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama. 5. Berdasarkan sumber arus kemagnitan untuk lilitan kutub magnit, maka dapat dibedakan atas :  Generator dengan Penguat Terpisah, jika arus untuk lilitan kutub magnit berasal dari sumber arus searah yang terletak di luar generator.  Generator dengan Penguat Sendiri, jika arus untuk lilitan kutub magnit berasal dari generator itu sendiri.  Soal Latihan 1.



Sebuah mesin arus searah mempunyai data-data sebagai berikut jumlah kutub P=2p=2, jumlah lamel = jumlah alur = 8, kisar komutator (Yc) = 1 dengan U=1. Buat tabel dan bagan arus hubungan sisi kumparan dengan lamel lilitan gelung tunggal.



2.



Sebuah generator DC shunt, 8 kutub (P), mempunyai jumlah penghantar jangkar 778 yang terhubung dalam lilitan gelombang (A=2) dan berputar pada kecepatan 500 rpm. Generator menyalurkan arus ke beban yang mempunyai resistansi 12,5 Ohm dengan tegangan terminal (V) sebesar 250 Volt. Resistansi jangkar 0,24 Ohm dan resistansi medan shunt 250 ohm. Tentukan : a. Arus Jangkar b. Ggl Induksi (E) c. Fluks per kutub



3.



Sebuah motor DC shunt 220 Volt menyerap arus dari jala-jala 80 Ampere pada kecepatan 800 Rpm. Resistansi medan shunt 50 Ohm dan resistansi jangkar 0,1 Ohm. Bila rugi besi dan gesekan 1.000 Watt. Tentukan : a. Ggl Lawan ( Eb) b. Daya Input motor c. Daya Output motor d. Efisiensi total



4.



Sebuah Generator DC Shunt menyalurkan arus 195 A pada tegangan terminal 250 Volt . Resistansi jangkar 0,02 Ohm dan resistansi medan shunt 50 Ohm . Rugi besi dan gesekan 950 Watt . Tentukan : a. Ggl yang dibangkitkan c. Daya Penggerak Mula b. Rugi Tembaga Total d. ή total , ή mekanis, ή listrik



5.



Sebuah generator kompon pendek menyalurkan arus 100 A pada tegangan 220 Volt. Resistansi medan shunt 50 Ohm, resistansi medan seri 0,025 Ohm, dan resistansi jangkar 0,05 Ohm. Rugi besi dan gesekan 1 KW. Tentukan : a. Ggl yang dibangkitkan c. Daya Penggerak mula (HP) b. Rugi Tembaga total



6.



d. Efisiensi Total



Sebuah generator kompon panjang diputar dengan kecepatan 1.000 Rpm , daya output 22 Kw pada tegangan terminal (V) 220 Volt. Resistansi jangkar 0,05 Ohm ,



Mesin Listrik



4 - 25



resistansi medan shunt 110 Ohm , dan resistansi medan seri 0,06 Ohm . Efisisensi Total 88 % . Tentukan : a. Rugi tembaga total ( Watt) b. Rugi besi dan gesekan ( Watt) c. Torsi Penggerak Mula 7.



Sebuah generator kompon pendek menyalurkan arus 100 Ampere pada tegangan 220 Volt . Resistansi medan shunt 50 Ohm , resistansi medan seri 0,025 Ohm , resistansi jangkar 0,05 Ohm , sedangkan rugi besi dan gesekan 1 KW. Tentukan : a. Ggl yang dibangkit oleh generator d. Efisiensi total . b. Rugi tembaga total c. Daya penggerak mula dalam HP



8.



Karakteristik beban nol dari generator dc shunt yang diputar pada kecepatan 400 Rpm datanya sbb : Tabel Hasil Pengukuran Tanpa Beban (Beban Nol) Im (Amp) 2 3 4 5 6 7 8 9 Eo (Volt) 110 155 186 212 230 246 260 271 Tentukan : a. Tegangan maksimum generator shunt bila diputar N = 400 Rpm dgn Rsh = 34 Ohm b. Resitansi medan shunt untuk mengurangi tegangan tanpa beban menjadi 220 Volt c. Nilai resistansi kritis dari medan shunt d. Kecepatan kritis saat resistansi medan shunt 34 Ohm e. Kecepatan terendah yang mungkin terjadi saat tegangan beban nol 225 Volt



Mesin Listrik



4 - 26



BAB V Motor Arus Searah



Tujuan Pembelajaran Umum : Memahami tentang konstruksi, prinsip kerja, lilitan jangkar, sistem penguatan, efisiensi, dan karakteristik motor arus searah. Tujuan Pembelajaran Khusus 1.



Mahasiswa mampu menjelaskan tentang prinsip kerja motor arus searah dengan benar. 2. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang persamaan tegangan motor arus searah dengan benar. 3. Mahasiswa mampu menjelaskan persamaan daya motor arus searah dengan benar. 4. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang torsi motor arus searah dengan benar. 5. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang rugi daya dan efisiensi motor arus searah dengan benar. 6. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat terpisah motor arus searah dengan benar. 7. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat sendiri shunt motor arus searah dengan benar. 8. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat sendiri seri motor arus searah dengan benar. 9. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang penguat sendiri kompon motor arus searah dengan benar. 10. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang karakteristik motor arus searah dengan benar. 11. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara pengaturan motor arus searah dengan benar. Lembar Informasi : 5.1 Prinsip Dasar Sebuah motor listrik adalah suatu mesin yang mengubah energi masukan listrik menjadi energi keluaran mekanik, jadi pada dasarnva sebuah mesin arus searah bisa difungsikan sebagai motor atau generator. Bila suatu penghantar yang dialiri arus ditempatkan dalam suatu medan magnet, maka akan timbul gaya yang besarnya F = B . I . L (Nm). Arah gaya F dapat ditentukan berdasarkan hukum tangan kiri Flemming.



Mesin Listrik



5- 1



5.2 Persamaan Tegangan dan Daya



Gambar 5.1 Prinsip Kerja Motor Arus Searah Gaya yang terjadi pada motor arus searah tergantung pada besarnya arus yang melewati jangkar dan fluks magnit dari medan magnit (penguat). Bila belitan (jangkar) telah berputar, maka dalam belitan itu akan timbul suatu tegangan yang arahnya berlawanan dengan tegangan yang disuplai dari luar, dan ini disebut Ggl lawan. Besarnya Ggl Lawan yang dibangkitkan : E 



 .Z . N P x Volt ...............(1) 60 A



V = E + Ia . Ra Volt .................(2) Ia 



V E Ra



Ampere …………(3)



Bila persamaan (2) dikalikan dengan la, maka : V. la = E . Ia + la2 Ra …………….... (4) V.la = Daya yang disuplai ke jangkar motor. Ia2 Ra = Rugi Tembaga dlm jangkar E.la =Daya yang digunakan jangkar motor yang mengakibatkan berputarnya jangkar. E.la tidak semuanya ada pada poros, karena sebagian digunakan untuk mengatasi kerugian mekanis atau kerugian gesekan dari motor.



Mesin Listrik



5- 2



Daya Mekanis (Pm) Pm = E la = V.Ia – Ia2. Ra



dPm = V – 2Ia . Ra dIa dPm Daya mekanik yang dibangkitkan akan maksimum bila sama dengan nol. dIa V – 2 . la . Ra = 0 V la . Ra = 2 V E = V – Ia . Ra = 2 Jadi Ia harus cukup besar supaya E setengah dari V, tetapi ini sulit untuk dicapai karena la akan terlampau besar yang menyebabkan panas, efisiensi akan dibawah 50%. Differentialkan kedua sisi dengan Ia, maka :



5.3 Torsi Torsi adalah putaran suatu gaya pada sebuah poros, dan diukur dengan hasil perkalian gaya dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut terjadi(bekerja). Torsi T = F . r (N-m) Gaya yang bekerja pada satu putaran penuh akan menimbulkan energi sebesar : F . 2 . n Joule. Daya yang dibangkitkan : Pm = T .  Watt = F.r x 2 . n joule/detik 5.4 Torsi Jangkar Ta adalah torsi vang dibangkitkan oleh jangkar motor yang berputar dengan kecepatan per detik (n), maka daya yang dibangkitkan adalah : = Ta x 2 .  .n Watt . Pm = E . Ia Watt Tax2 . n = E . Ia Watt  .Z . N P x x la Tax2 . n = 60 A 1 Ia  . Z . P x Nm Ta = 2. A = 0,159  . Z.P x



Ia Nm A



5.5 Torsi Poros Tidak seluruh torsi yang dihasilkan pada jangkar bisa dimanfaatkan oleh beban yang Mesin Listrik



5- 3



dihubungkan pada poros, karena sebagian akan hilang karena rugi-rugi besi dan gesekan pada motor. Torsi yang yang bisa dimanfaatkan ini disehut Torsi Poros (Tsh) Tsh = Torsi Jangkar (Ta) - Torsi yang hilang karena rugi besi dan gesekan (Tf) Eb . Ia  Rugi besi dan gesekan Tsh = 2 . . n HP x 746 = Nm 2 . . n 5.4 Rugi-rugi Daya dan Efisiensi Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dapat dibagi kedalam :  Rugi- rugi tembaga atau listrik.  Rugi-rugi besi atau magnet.  Rugi-rugi mekanis.  Rugi-rugi tembaga atau listrik  Daya yang hilang dalam panas lilitan medan dan rangkaian jangkar  Rugi tembaga dari lilitan dibagi atas:  Rugi tembaga jangkar Ia2 . Ra Watt  Rugi tembaga medan terdiri dari: Ish2.Rsh Watt  Motor Shunt/ Motor Kompon Is2.Rs Watt  Motor Seri/ Motor Kompon  Rugi-rugi Besi atau Magnet - Rugi histerisis Ph = .Bmax X f . V Watt  = Steinmetz hysterisis coefficient Bmax = Kerapatan fluks Wb  maksimum  2  m  f = Frekuensi dlm Hertz V = Volume inti (m3) nilai x = antara 1,6 s/d 2 - Arus Pusar (Eddy Current) Pe = Ke.Bmax2 . f2 . V . t2 Watt Ke = Konstanta arus pusar t = Ketebalan dari inti magnit (m)  Rugi Mekanis Rugi mekanis yang terjadi pada motor disebabkan oleh adanya gesekan dan angin, seperti pada bagian poros motor.



Mesin Listrik



5- 4



 Efisiensi Efisiensi adalah prosentase perban-dingan daya keluar dan daya masuk yang terjadi pada motor.



Daya Keluar x 100% Daya Masuk Daya Keluar = x 100% Daya Keluar  rugi =



5.5 Macam-macam Hubungan Motor Arus Searah Seperti pada generator arus searah berdasarkan sumber arus kemagnetan untuk kutub magnit, maka dapat dibedakan atas :  Motor arus searah dengan peguat terpisah, bila arus untuk lilitan kutub magnet berasal dari sumber arus searah yang terletak di luar motor.  Motor arus searah dengan penguat sendiri, bila arus untuk lilitan kutub magnet berasal dari motor itu sendiri. Sedangkan berdasarkan hubungan lilitan penguat magnit terhadap lilitan jangkar untuk motor dengan pennguat sendiri dapat dikelompokkan atas :  Motor Shunt  Motor Seri



Panjang  Motor Kompon



Pendek 5.5.1 Motor Arus Searah Penguat Terpisah



Gambar 5.2 Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Terpisah



Mesin Listrik



5- 5



Persamaan Arus,Tegangan dan Daya Em Im = Amp Rm la = IL E = V – la . Ra - 2e Volt . Pin = V.IL Watt Pj = Pm = E .la Watt Pout = Pm - Rugi besi&gesekan 5.5.2 Motor Arus Searah Penguat Sendiri a. Motor Shunt



Gambar 5.3 Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Sendiri Shunt Persamaan Arus dan Tegangan : IL = la + Ish V Ish = Rsh E = V - Ia.Ra b. Motor Seri



Gambar 5.4 Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Sendiri Seri



Mesin Listrik



5- 6



Persamaan Arus dan Tegangan IL = Is = la E = V - IL (Rs + Ra) c. Motor Kompon c.1 Motor Kompon Panjang



Gambar 5.5 Rangkaian Motor Arus Searah Kompon Panjang Persamaan Arus dan Tegangan IL = la + Ish Ish =



V Rsh



V = E + la (Ra + Rs) c.1 Motor Kompon Pendek



Gambar 5.6 Rangkaian Motor Arus Searah Kompon Pendek Persamaan Arus dan Tegangan IL = la + Ish Ish =



Vab Rsh



V = Vab + lL . Rs



Mesin Listrik



5- 7



5.6 Karakteristik Motor Arus Searah Karakteristik sebuah motor arus searah dapat kita tentukan berdasarkan persamaan kecepatan dan torsi.  Persamaan Kecepatan



V  Ia . Ra Rpm C  Persamaan Torsi T = C . Ia .  Nm N =



Berdasarkan persamaan diatas maka dapat diperoleh karakteristik-karakteristik yang penting pada motor arus searah. Karakteristik tersebut antara lain a. Karakteristik putaran sebagai fungsi dan arus.jangkar (Karakteristik Putaran) N = f (la) , V konstan b. Karakteristik torsi sebagai fungsi dari arus jangkar (Karakteristik Torsi) T = f (la) , V konstan c. Karakteristik putaran sebagai fungsi dari torsi (Karakteristik Mekanis) N = f(T) , V konstan 5.6.1 Karakteristik Motor Arus Searah Penguat Terpisah a. Karakteristik Putaran Putaran pada motor dengan penguat terpisah relatif konstan, penurunan kecepatan akibat perubahan beban sangat kecil. Hal ini disebabkan karena fluks medan pada motor relatif konstan dan tahanan jangkar Ra sangat kecil, sehingga penurunan kecepatan antara tanpa beban dan beban penuh adalah kecil sehingga motor bisa dikatagorikan sebagai motor yang mempunyai kecepatan tetap. b. Karakteristik Torsi Berdasarkan persamaan T = C . Ia . Nm, jika tegangan terminal V konstan maka arus ke lilitan medan penguat juga akan konstan, sehingga fluks yang ditimbulkan medan akan konstan. Dengan demikian torsi pada motor dengan penguat terpisah hanya tergantung pada arus jangkar atau perubahan torsi berbanding lurus dengan arus jangkar. c. Karakteristik Mekanis Dengan merujuk pada persamaan T=C.Ia. salah satu faktor yang mengakibatkan kenaikkan Torsi adalah naiknya arus jangkar la, dan akibat naiknya arus jangkar maka V  Ia . Ra berdasarkan persamaan N = Rpm, kecepatan akan turun dengan asumsi  C konstan. Khusus untuk motor dengan penguat terpisah yang memiliki Ra kecil penurunan kecepatan tidak terlalu besar.



Mesin Listrik



5- 8



5.6.2 Karakteristik Motor Arus Searah Penguat Sendiri Karakteristik Putaran, Torsi, dan Mekanis untuk motor shunt dengan penguat sendiri hampir sama dengan motor dengan penguat terpisah, sedangkan untuk motor seri dan kompon bisa dijelaskan sbb : a. Karakteristik Putaran Motor Seri :



Dengan memperhatikan kembali rang-kaian listrik motor seri, besarnya arus jangkar (Ia) sama dengan arus pengua-tan (Is) dengan demikian :  = f(Ia) = f(Is), dan berdasarkan persa-maan : V  Ia . Ra Rpm C V  Ia . Ra N= Rpm C.Ia



N=



maka



sehingga karakteristik akan berbentuk hiperbolis.



Motor Kompon Karakteristik motor kompon berada diantara karakteristik motor seri dan motor shunt, sedangkan berdasarkan arah melilit penguat medannya motor kompon bisa dibagi atas Kompon Lawan dan Kompon Bantu. b. Karakteristik Torsi Motor Seri : Berdasarkan persamaan : Ia Ta = 0,159  . Z . P x Nm, atau A Ta    Ia, sebelum titik jenuh   If dan Ia, karena Ia = If oleh karena itu pada beban ringan Ta  Ia2. Sesudah titikk jenuh  hampir berdiri sendiri maka Ta  la, bentuk karakteristik menjadi lurus. Motor Kompon : Akibat adanya fluks medan seri dan shunt pada motor kompon yang saling mempengaruhi, maka karakteristik Torsi yang terjadi merupakan gabungan dari karakteristik motor seri dan shunt. Pada saat beban normal dengan naiknya la, maka pertambahan Torsi motor shunt lebih besar bila dibandingkan motor seri dan karakteristik motor kompon berada diantara kedua karakteristik tersebut, demikian juga pada saat beban besar.



Mesin Listrik



5- 9



c. Karakteristik Mekanis Motor Seri Dengan naiknva Torsi, akan mengakibatkan naiknya la dan if (), dari persamaan : N = V  Ia . Ra Rpm, pada saat Ia = 0, maka harga N men-dekati tak terhingga, sedangkan C. pada saat Ia (Ta) besar, kecepatan turun mendekati nol. Motor Kompon Untuk motor kompon karakteristiknya berada diantara karakteristik motor seri dan motor shunt.  Rangkuman 1.



2. 3. 4. 5.



6.



7.



Sebuah motor listrik adalah suatu mesin yang mengubah energi masukan listrik menjadi energi keluaran mekanik, jadi pada dasarnva sebuah mesin arus searah bisa difungsikan sebagai motor atau generator. Gaya yang terjadi pada motor arus searah tergantung pada besarnya arus yang melewati jangkar dan fluks magnit dari medan magnit (penguat). Torsi adalah putaran suatu gaya pada sebuah poros, dan diukur dengan hasil perkalian gaya dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut terjadi(bekerja). Ta adalah torsi vang dibangkitkan oleh jangkar motor yang berputar dengan kecepatan per detik (n) Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dapat dibagi kedalam :  Rugi- rugi tembaga atau listrik.  Rugi-rugi besi atau magnet.  Rugi-rugi mekanis. Seperti pada generator arus searah berdasarkan sumber arus kemagnetan untuk kutub magnit, maka dapat dibedakan atas :  Motor arus searah dengan peguat terpisah, bila arus untuk lilitan kutub magnet berasal dari sumber arus searah yang terletak di luar motor.  Motor arus searah dengan penguat sendiri, bila arus untuk lilitan kutub magnet berasal dari motor itu sendiri. Sedangkan berdasarkan hubungan lilitan penguat magnit terhadap lilitan jangkar untuk motor dengan pennguat sendiri dapat dikelompokkan atas :  Motor Shunt  Motor Seri Panjang  Motor Kompon Pendek



Mesin Listrik



5 - 10



 Soal Latihan 1. Sebuah Motor DC Seri menyerap arus jangkar 40 A pada tegangan terminal 220 Volt dan berputar pada kecepatan 800 Rpm . Resistansi jangkar 0,2 Ohm dan resistansi medan seri 0,1 Ohm . Rugi besi dan gesekan 0,5 Kw . Tentukan : a. Torsi pada jangkar b. Daya output motor (HP) 2. Sebuah motor DC Shunt 230 Volt mempunyai resistansi jangkar 0,5 Ohm dan resistansi medan 115 Ohm . Saat tanpa beban kecepatan motor 1200 Rpm dan arus jangkar 2,5 A . Saat beban nominal kecepatan turun menjadi 1120 Rpm . Tentukan arus jala-jala (IL) dan daya input motor saat motor diberi beban nominal . 3. Sebuah motor DC shunt 220 Volt menyerap arus dari jala-jala 80 Ampere pada kecepatan 800 Rpm. Resistansi medan shunt 50 Ohm dan resistansi jangkar 0,1 Ohm. Bila rugi besi dan gesekan 1.000 Watt. Tentukan : a. Ggl Lawan ( Eb) b. Daya Input motor c. Daya Output motor d. Efisiensi total 4. Sebuah motor DC seri 250 Volt berputar pada kecepatan 500 Rpm. Torsi poros 130 N-m dan efisiensi pada saat beban ini 88%. Hitung arus yang diserap motor. 5. Sebuah Motor DC Shunt, 4 Kutub, 220 Volt mempunyai lilitan gelombang , daya keluar motor 11,19 KW saat berputar pada kecepatan 1000 Rpm. Menyerap arus jangkar 50 A dan arus medan 1 A. Jumlah konduktor 540 , resistansi jangkar 0.1 Ohm dan kerugian tegangan per sikat 1 Volt. Tentukan : a. Torsi Jangkar b. Torsi Poros c. Flux per kutub. d. Rugi gesekan dan angin e. Efisiensi total 6. Sebuah motor DC shunt 220 Volt menyerap arus dari jala-jala 80 Ampere pada kecepatan 800 Rpm. Resistansi medan shunt 50 Ohm dan resistansi jangkar 0,1 Ohm. Bila rugi besi dan gesekan 1.000 Watt. Tentukan : a. Ggl Lawan ( Eb) b. Daya Input motor c. Daya Output motor d. Efisiensi total 7. Sebuah motor DC seri , 4 kutub , 240 Volt , mempunyai lilitan jangkar berbentuk gelombang dengan jumlah lilitan 1254 lilit . Fluk per kutub 20 mWb saat motor menyerap arus 40 Ampere . Rugi besi dan gesekan 1 KW , resistansi jangkar 0,2 Ohm dan resistansi medan seri 0,2 Ohm . Hitung : a.Kecepatan Motor b. Daya output (keluaran) motor dalam HP c. Torsi Poros d. Efisiensi motor saat kondisi beban diatas . 8. Sebuah motor arus searah dengan tahanan jangkar 0,1 ohm, bila dihubungkan dengan sumber 110 volt dengan arus jangkar 20, putaran 1200 rpm. Hitung putarannya bila dengan sumber yang sama arus jangkarnya meningkat menjadi 50 A, dan fluks magnetnya meningkat sebesar 10% dibandingkan keadaan pertama.



Mesin Listrik



5 - 11



BAB VI



Motor Induksi Tiga Fasa Tujuan Pembelajaran Umum : 1. 2. 3. 4. 5. 6.



Memahami prinsip kerja, konstruksi, jenis-jenis motor induksi tiga fasa. Memahami tentang terjadinya tegangan induksi pada rotor dan perbedaan kecepatan medan putar dan kecepatan rotor (Slip) . Memahami tentang cara penggambaran dan perhitungan parameter motor induksi tiga fasa berdasarkan rangkaian ekuivalen . Memahami tentang cara menentukan besarnya torsi dan daya motor induksi tiga fasa . Memahami tentang cara menentukan rangkaian ekuivalen motor berdasarkan hasil pengujian motor . Memahami tentang karakteristik dan cara-cara pengasutan (starting) sebuah motor induksi tiga fasa



Tujuan Pembelajaran Khusus Mahasiswa mampu menjelaskan tentang konstruksi dari sebuah motor induksi tiga fasa dengan benar. 2. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang bagian stator dan jenis-jenis rotor motor induksi tiga fasa dengan benar 3. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menentukan besarnya tegangan induksi yang terjadi pada bagian rotor dengan benar . 4. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang perbedaan kecepatan putar medan stator dan rotor (slip) dengan benar . 5. Mahasiswa mampu menjelaskan cara menghitung slip dan frekuensi rotor saat motor diam dan berputar dengan benar . 6. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menggambarkan rangkaian ekuivalen rotor motor dengan benar . 7. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung resistansi, reaktansi, dan impedansi rotor dengan benar . 8. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menggambarkan rangkaian ekuivalen motor induksi tiga fasa dengan benar . 9. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung impedansi, arus,dan tegangan berdasarkan rangkaian ekuivalen dengan benar . 10. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang torsi asut, torsi mekanik, torsi gesekan, torsi maksimum, dan torsi poros yang ada pada motor induksi tiga fasa dengan benar 11. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung besarnya torsi yang ada pada motor induksi tiga fasa dengan benar. 12. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang diagram daya (Aliran daya) motor induksi tiga fasa dengan benar 1.



Mesin Listrik



6- 1



13. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung besarnya daya masukan,



14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.



daya rotor, rugi daya, dan daya keluaran pada sebuah motor induksi tiga fasa dengan benar . Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menghitung torsi dan daya motor induksi tiga fasa berdasarkan rangkaian ekuivalen dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang tujuan dan cara melakukan test tanpa beban pada sebuah motor induksi tiga fasa dengan benar . Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menentukan parameter motor induksi tiga fasa berdasarkan test tanpa beban dengan benar . Mahasiswa mampu menjelaskan tentang tujuan dan cara melakukan test hubung singkat pada sebuah motor induksi tiga fasa dengan benar Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara menentukan parameter motor induksi tiga fasa berdasarkan test hubung singkat dengan benar . Mahasiswa mampu menjelaskan tentang tujuan dan cara menggambarkan diagram lingkaran berdasarkan test beban nol dan test hubung singkat dengan benar . Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis karakteristik motor induksi tiga fasa dengan benar . Mahasiswa mampu menjelaskan tentang metode pengasutan motor induksi tiga fasa dengan cara pengurangan tegangan dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang metode pengasutan motor induksi tiga fasa dengan sistem “ Solid State Starter” dengan benar Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa dengan benar .



Mesin Listrik



6- 2



Lembar Informasi : 6.1 Konstruksi dan Prinsip Kerja Mesin-mesin listrik digunakan untuk mengubah suatu bentuk energi ke energi yang lain, misalnya mesin yang mengubah energi mekanis ke energi listrik disebut generator, dan sebaliknya energi listrik menjadi energi mekanis disebut motor. Masing-masing mesin mempunyai bagian yang diam dan bagian yang bergerak. Bagian yang bergerak dan diam terdiri dari inti besi, dipisahkan oleh celah udara dan membentuk rangkaian magnetik dimana fluksi dihasilkan oleh aliran arus melalui kumparan/belitan yang terletak didalam kedua bagian tersebut. Pada umumnya mesin-mesin penggerak yang digunakan di Industri mempunyai daya keluaran lebih besar dari 1 HP dan menggunakan motor Induksi Tiga Fasa. Adapun kelebihan dan kekurangan motor induksi bila dibandingkan dengan jenis motor lainnya, adalah : Kelebihan Motor Induksi  Mempunyai konstruksi yang sederhana.  Relatif lebih murah harganya bila dibandingkan dengan jenis motor yang lainnya.  Menghasilkan putaran yang konstan.  Mudah perawatannya.  Untuk pengasutan tidak memerlukan motor lain sebagai penggerak mula.  Tidak membutuhkan sikat-sikat, sehingga rugi gesekan bisa dikurangi. Kekurangan Motor Induksi  Putarannya sulit diatur.  Arus asut yang cukup tinggi, berkisar antara 5 s/d 6 kali arus nominal motor.



Gambar 6.1 Penampang Motor Induksi Tiga Fasa



Mesin Listrik



6- 3



Inti besi stator dan rotor terbuat dari lapisan baja silikon yang tebalnya berkisar antara 0,35 mm - 1 mm yang tersusun secara rapi dan masing-masing terisolasi secara listrik dan diikat pada ujung-ujungnya. Celah udara antara stator dan rotor pada motor yg berukuran kecil 0,25 mm- 0,75 mm, sedangkan pada motor yang berukuran besar bisa mencapai 10 mm. Celah udara yang besar ini disediakan untuk mengantisipasi terjadinya pelengkungan pada sumbu sebagai akibat pembebanan. Tarikan pada pita (belt) atau beban yang tergantung akan menyebabkan sumbu motor melengkung. 6.1.1 Stator



Gambar 6.2 Lilitan Motor Induksi



Pada dasarnya belitan stator motor induksi tiga fasa sama dengan belitan motor sinkron. Konstruksi statornya belapis-lapis dan mempunyai alur untuk melilitkan kumparan. Stator mempunyai tiga buah kumparan, ujung-ujung belitan kumparan dihubungkan melalui terminal untuk memudahkan penyambungan dengan sumber tegangan. Masing-masing kumparan stator mempunyai beberapa buah kutub, jumlah kutub ini menentukan kecepatan motor tersebut. Semakin banyak jumlah kutubnya maka putaran yang terjadi semakin rendah. 6.1.2 Rotor Motor Induksi bila ditinjau dari rotornya terdiri atas dua tipe yaitu rotor sangkar dan rotor lilit.  Rotor Sangkar Motor induksi jenis rotor sangkar lebih banyak digunakan daripada jenis rotor lilit, sebab rotor sangkar mempunyai bentuk yang sederhana. Belitan rotor terdiri atas batang-batang penghantar yang ditempatkan di dalam alur rotor. Batang penghantar ini terbuat dari tembaga, alloy atau alumunium. Ujung-ujung batang penghantar dihubung singkat oleh cincin penghubung singkat, sehingga berbentuk sangkar burung. Motor induksi yang menggunakan rotor ini disebut Motor Induksi Rotor Sangkar. Karena batang penghantar rotor yang telah dihubung singkat, maka tidak dibutuhkan tahanan luar yang dihubungkan seri dengan rangkaian rotor pada saat awal berputar. Alur-alur rotor biasanya tidak dihubungkan sejajar dengan sumbu (poros) tetapi sedikit miring.



Mesin Listrik



6- 4



Gambar 6.3 Rotor Sangkar



 Rotor Lilit Rotor lilit terdiri atas belitan fasa banyak, belitan ini dimasukkan ke dalam alur-alur inti rotor. Belitan ini sama dengan belitan stator, tetapi belitan selalu dihubungkan secara bintang. Tiga buah ujung-ujung belitan dihubungkan ke terminal-terminal sikat/cincin seret yang terletak pada poros rotor.



Gambar 6.4 Rotor lilit



Pada jenis rotor lilit kita dapat mengatur kecepatan motor dengan cara mengatur tahanan belitan rotor tersebut. Pada keadaan kerja normal sikat karbon yang berhubungan dengan cincin seret tadi dihubung singkat. Motor induksi rotor lilit dikenal dengan sebutan Motor Induksi Slipring atau Motor Induksi Rotor Lilit. 6.1.3 Medan Putar Putaran motor pada mesin arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan putar (fluksi yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini timbul bila kumparan stator dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa. Hubungannya dapat berupa hubungan bintang atau segitiga. Pada gambar 6.4 diperlihatkan bagaimana terjadinya medan putar pada motor induksi tiga fasa. Perhatikan gambar 6.5 a s/d f .



Mesin Listrik



6- 5



Gambar 6.5 Nilai Arus Sesaat dan Posisi Flux



   



Pada posisi pertama atau a, fluks resultan mempunyai arah yang sama dengan arah fluk yang dihasilkan oleh kumparan a - a. Pada posisi kedua atau b, fluks resultan mempunyai arah yang sama dengan arah fluks yang dihasilkan oleh kumparan c - c. Pada posisi ketiga atau c, fluks resultannya mempunyai arah yang sama dengan fluks yang dihasilkan oleh kumparan b - b. Pada posisi keempat s/d keenam terlihat fluks resultan yang terjadi arahnya akan berlawanan dengan arah fluks sebelumnya pada masing-masing kumparan.



(a)



(b)



Mesin Listrik



6- 6



(c)



(d)



(e)



(f) Gambar 6.6 Proses Terjadinya Medan Putar



Dari gambar diatas terlihat bahwa fluks resultan akan berputar, dan jumlah putarannya 120.f bisa ditentukan berdasarkan persamaan : Ns  Rpm P 4.1.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa Prinsip kerja motor induksi atau terjadinya putaran pada motor, bisa dijelaskan sebagai berikut :



Mesin Listrik



6- 7







    







Bila kumparan stator diberi suplai tegangan tiga fasa, maka akan terjadi medan pu120.f tar dengan kecepatan Ns  P Medan putar stator tersebut akan mengimbas penghantar yang ada pada rotor, sehingga pada rotor timbul tegangan induksi. Tegangan yang terjadi pada rotor menyebabkan timbulnya arus pada penghantar rotor. Selanjutnya arus di dalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk menanggung kopel beban, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Supaya timbul tegangan induksi pada rotor, maka harus ada perbe-daan relatif antara kecepatan medan putar stator(Ns) dengan kecepatan putar rotor (Nr). Perbedaan kecepatan antara Nr dengan Ns disebut Slip (S), dan dinyatakan dengan Ns  Nr persamaan S  x100% Ns Bila Nr = Ns tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan jangkar rotor, se-hingga tidak dihasilkan kopel. Kopel pada motor akan terjadi bila Nr lebih kecil dari Ns.



(a)



(b)



(c)



Gambar 6.7 Terjadinya Putaran pada Motor Induksi



4.2



Frekuensi dan Slip Rotor



Kumparan stator motor induksi tiga fasa bila dihubungkan dengan suplai tegangan tiga fasa akan mengasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron sesuai 120f dengan persamaan Ns  . Medan putar yang terjadi pada stator ini akan memoP tong penghantar- penghantar yang ada pada bagian rotor, sehingga terinduksi arus, dan sesuai dengan dengan Hukum Lentz, sehingga rotor akan berputar mengikuti putaran medan stator. Perbedaan kecepatan medan putar stator dengan putaran rotor biasa disebut slip. Apabila terjadi penambahan beban, maka akan mengakibatkan naiknya kopel motor dan selanjutnya akan memperbesar arus induksi pada bagian rotor.



Mesin Listrik



6- 8



Frekuensi rotor saat motor belum berputar nilainya akan sama dengan frekuensi yang terjadi pada belitan stator, dan apabila sudah berputar frekuensi rotornya akan sebanding dengan perubahan slip yang terjadi pada motor tersebut.



6.2.1



Tegangan Induksi pada Rotor



Saat rotor belum berputar maka Slip = 1, frekuensi dari ggl rotor nilainya sama dengan frekuensi yang di suplai ke bagian stator. Nilai tegangan induksi pada rotor saat diam adalah maksimum, sehingga motor ekuivalen dengan sebuah transformator tiga fasa yang di hubung singkat pada sisi sekundernya. Saat rotor mulai berputar, kecepatan relatif antara rotor dengan fluks medan putar stator akan menurun, sehingga tegangan induksi rotor berbanding langsung dengan kecepatan relatif, dengan demikian tegangan induksi di rotor akan mengalami penurunan. Jadi untuk Slip S, tegangan induksi rotor akan S kali tegangan induksi saat diam, oleh karena itu pada kondisi ber-putar : E 2r  SE 2 6.2.2



Slip dan Frekuensi Rotor



Seperti telah dijelaskan diatas, putaran rotor tidak akan sama dengan putaran medan stator, karena bila rotor berputar sama cepatnya dengan medan stator, tidak akan timbul perbedaan kecepatan sehingga tidak ada Ggl induksi yang timbul pada rotor, tidak ada arus dan tidak ada kopel yang mendorong rotor. Itulah sebabnya rotor selalu berputar pada kecepatan dibawah kecepatan medan putar stator. Perbedaan kecepatan tergantung pada besarnya beban motor. Slip mutlak menunjukkan kecepatan relatif rotor terhadap medan putar. Slip Mutlak = Ns – Nr ...................................................................................(6-1) Slip (S) merupakan perbandingan slip mutlak terhadap Ns, ditunjukkan per unit atau prosen oleh hubungan : Ns  Nr S x100% ………………………………………………….……….(6-2) Ns Dalam keadaan diam, frekuensi rotor ( f 2 ) sama besarnya dengan frekuensi sumber tegangan, bila rotor berputar frekuensi rotor tergantung pada besarnya kecepatan relatif atau slip mutlak. Hubungan antara frekuensi dengan slip dapat dilihat sebagai berikut : 120.f1 P.Ns Ns  dan f1  ……………….………………………….…..…(6-3) 120 P dan pada rotor berlaku hubungan :



f2  S  f 2  Sxf 1 ………………………………………………….……….(6-4) f1



Mesin Listrik



6- 9



4.3



Rangkaian Ekuivalen



Dalam beberapa hal mesin Induksi menyerupai mesin sinkron, tetapi pada dasarnya mesin induksi ini hampir sama dengan transformator, terutama saat belum berputar. Energi yang “dipindahkan” dari stator ke rotor dilakukan berdasarkan azas imbas elektromagnet(induksi) dengan bantuan fluksi bersama, karena itu rangkaian ekuivalen motor induksi digambarkan seperti rangkaian ekuivalen transformator. Bagian stator membentuk sisi primer dan rotor sebagai sisi sekunder.



6.3.1 Rangkaian Ekuivalen Rotor



Gambar 6.8 Rangkaian Ekuivalen Rotor



Pada saat rotor berputar tegangan induksi rotor (E2) dan reaktansi bocor rotor (X2) dipengaruhi oleh Slip, maka arus rotor menjadi : E 2 .S I2  R 2 '  (S.X 2 ) 2 =



E2 2



 R2    .X 2 2  S  =



dimana



R2 1  R 2  R 2 (  1) ……………………………………..….(6-10) S S



R 2  Resistansi Rotor 1 R 2 (  1) = Resistansi Beban S



Mesin Listrik



6- 10



6.3.2



Rangkaian Ekuivalen Motor



Gambar 6.9 Rangkaian Ekuivalen Motor



Gambar rangkaian ekuivalen pada gambar 6.9 bisa disederhanakan lagi dengan merefrensikannya pada sisi primer (stator) seperti terlihat pada gambar 6.10.



Gambar 6.10 Rangkaian Ekuivalen dengan Refrensi Primer



6.4



Torsi dan Daya



Seperti telah dibahas pada sub bab mengenai konstruksi dan prinsip kerja motor induksi, tidak ada suplai listrik yang dihubungkan secara langsung ke bagian rotor motor, daya yang dilewat-kan senjang udara adalah dalam bentuk magnetik dan selanjutnya diinduksikan ke rotor sehingga menjadi energi listrik. Rata-rata daya yang melewati senjang udara harus sama dengan jumlah rugi daya yang terjadi pada rotor dan daya yang dikonversi menjadi energi mekanis. Daya yang ada pada bagian rotor menghasilkan torsi mekanik, tetapi besarnya torsi yang terjadi pada poros motor di-mana tempat diletakkannya beban, tidak sama dengan besarnya torsi mekanik, hal ini disebabkan adanya torsi yang hilang akibat gesekan dan angin. 6.4.1



Torsi Motor







Torsi Asut (Starting Torque)



Torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor pada saat mulai diasut disebut Torsi Asut, nilainya bisa lebih besar atau lebih kecil dari Torsi putar dalam keadaan normal.



Mesin Listrik



6- 11



I2 



E2  Z2



Cos 



R2  Z2



atau Ts  k.E 2 .







R 22  X22 R2 R 22  X22



………………………………………………...(6-11)



………………………………………………..(6-12)



Ts  k.E 2 .I 2 .Cos 2 ……………………………………………….(6-13)



Torsi Asut



=



E2



E2 R 22  X22



k.E 2 2 .R 2 R 22  X22



x



R2 R 22  X22



……………………………………………………………(6-14)



Torsi saat Rotor(Motor) Berputar



Pada saat motor berputar, maka : T  E 2r .I 2r .Cos2 dimana :



E 2r  Tegangan rotor / fasa saat berputar I 2r  Arus rotor/fasa saat berputar E 2r  S.E 2 I 2r 



E 2r S.E 2  Z 2r (R 2 ) 2  ( X 2 .S) 2



Cos 2r  T



R2 (R 2 ) 2  (S.X 2 ) 2



k.S.E 2 2 .R 2 R 2 2  (S.X 2 ) 2



k = konstanta, nilainya = T







……………………………………………(6-15)



3 2..Ns



S.E 2 2 .R 2 3 x ……………………………………………….(6-16) 2..Ns R 2 2  (S.X 2) ) 2



Torsi Maksimum saat Motor Berputar



Kondisi Torsi Maksimum pada saat motor berputar bisa diperoleh dengan mendeferentialkan persamaan Torsi terhadap Slip S. dT 0 Torsi Maksimum  dS



Mesin Listrik



6- 12



T T' 



k.S.E 2 2 .R 2 R 2 2  S2 .X 2 2 U ' .V  V ' .U V2



k.E 2 2 .R 2 (R 2 2  S2 .X 2 2 )  2.S.X 2 2 (S.k.E 2 2 .R 2 ) (S2 .X 2 2  R 2 2 ) 2 0  k.E 2 2 .R 2 (R 2 2  S2 X 2 2 )  2.S.X 2 2 (S.k.E 2 2 .R 2 2 ) T' 



Sm 



R2 X2



R k. 2 .E 2 2 .R 2 2 k.S.E 2 .R 2 X2  Tmax  R 2 2  S2 .X 2 2 R 2  ( R 2 ) 2 .X 2 X2 



k.E 2 2 ....................................................................................(6 – 17) 2.X 2



Gambar 6.11 Karakteristik Slip Vs Torsi 



Torsi Beban Penuh dan Torsi Maksimum



Tf 



k.S.R 2 .E 2 2 R 2 2  S 2 .X 2 2



Tmax  



k.E 2 2 2.X 2



……………………………………..(6-18)



Tf k.S.R 2 .E 2 2 2.X 2  x Tmax R 2 2  S 2 .X 2 2 k.E 2 2



Mesin Listrik



6- 13



R2 X2



2.S. 







 R2   X2



2



   S 2 







2 Sm S  S Sm



…………………………………..(6-19)



Torsi Asut dan Torsi Maksimum



Ts k.R 2 .E 2 2 2.X 2 2.R 2 .X 2  x  Tmax R 2 2  X 2 2 k.E 2 R 2 2  X 2 2



=







R 2. 2 X2 R  1   2   X2 



2







2.Sm 1  Sm 2



…………………………………………....(6-20)



Torsi pada Rotor Lilit



Untuk menentukan Arus, daya, dan Torsi pada Motor Induksi rotor lilit tidak berbeda dengan rotor sangkar, hanya pada rotor lilit kita bisa menambahkan tahanan luar terhadap bagian rotor tersebut. 



Saat Pengasutan S = 1



I2 



Cos 2 



T



E2 2



(R 2  Rx )  (X 2 )



2



R 2  Rx (R 2  Rx ) 2  (X 2 ) 2 k.E 2 2 .(R 2  Rx ) (R 2  Rx ) 2  (X 2 ) 2



Ampere……………………………….………(6-21)



……………………………………………….….….(6-22)



N-m …………………………………………..……(6-23)



Gambar 6.12 Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi Rotor Lilit



Mesin Listrik



6- 14







Saat Berputar



I2 



Cos 2 



T 6.4.2



S.E 2 2



(R 2  Rx )  (S.X 2 )



2



R 2  Rx (R 2  Rx ) 2  (S.X 2 ) 2 k.S.E 2 2 .(R 2  Rx ) (R 2  Rx ) 2  (S.X 2 ) 2



Ampere ……….…………………………(6-24)



……………………………………………(6-25)



N-m ..........................................................(6-26)



Daya Motor Induksi Tiga Fasa



Diagram aliran daya dari sebuah Motor Induksi Tiga Fasa seperti diperlihatkan pada gambar 6.12 Daya Masuk Stator = Daya Keluar Stator + Rugi Tembaga Stator Daya Masuk Rotor = Daya Keluar Stator Daya Keluar Rotor Kotor = Daya Masuk Rotor - Rugi Tembaga Rotor



Gambar 6.13 Diagram Aliran Daya Motor Induksi Tiga Fasa



Daya keluar rotor dikonversi ke dalam energi mekanis dan menghasilkan Torsi Tg. Sebagian torsi yang dihasilkan Tg hilang karena gesekan dan angin di rotor disebut Torsi Poros Tsh. Keterangan : Daya Keluar Rotor kotor = Pout rotor Daya Masuk Rotor = Pin rotor Rugi Tembaga Rotor = Pcu rotor



Mesin Listrik



6- 15



Pout rotor = Tg.2..Nr



Tg =



Pout rotor ……………………………………………………..……..……...(6-27) 2..Nr



Pin rotor  Tgx 2..Ns Pcu rotor  Tgx 2.( Ns  Nr) Pcu rotor Tgx 2.( Ns  Nr)  Pin rotor Tgx 2..Ns Ns  Nr S Ns Pcu rotor  Sx Pin rotor 



..............................................................................(6-28)



Pout rotor = Pin rotor - Pcu rotor = Pin rotor - S x Pin rotor



…………………………………………,..…(6-29)



Pout rotor  1 S Pin rotor Ns  Nr Ns Ns Ns  Nr Ns    Ns Ns Nr Ns Efisiensi Rotor  Nr Pcu rotor Sx Pin rotor Juga  Pout rotor (1  S)Pin rotor  1







………………………………………………,,,…….(6-30)



S 1 S



Rugi Tembaga Rotor untuk Sistem Tiga Fasa, adalah : Pcu  3.I 2 2 .R 2 ………………………………………………….…..(6-31) 3.S 2 .E 2 2 .R 2  Watt R 2 2  S 2 .X 2 2



Pcu rotor S 3.S 2 .E 2 2 .R 2 1  x …………………………………………..…….(6-32) 2 2 2 S R 2  S .X 2 3.S.E 2 2 .R 2  R 2 2  S 2 .X 2 2



Pin rotor P2 



Mesin Listrik



6- 16



Daya Mekanik (Pm) atau Pout rotor =(1 - S) Pin rotor



=



3.S(1  S)E 2 2 .R 2 Watt ……………………………………….….…(6-32) 2 2 2 R 2  S .X 2



Pm Pm   2Nr / 60 Pm  2..Ns(1  S) / 60



Tg 







..............................................................(6-33)



3.S.E 2 2 .R 2 1 x Nm 2..Ns / 60 R 2  (S.X ) 2 2 2



Gambar 6.14 Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi



Menentukan Torsi dan daya pada motor induksi tiga fasa, bisa dilakukan pula berdasarkan rangkaian ekuivalen (Gambar 6.14).



Pin Stator = 3.V1.I1.Cos1 Watt ………………………………….……………….(6-34)



Rugi Inti  I c 2 .Rc Pcu stator  3.I12 .R1 Watt



..........................................(6-35)



2 R ' DayayangDitransferkeRotor  3. I 2 '  . 2 Watt ..........................................(6-36)   S ..........................................(6-37) Pcu rotor  3.(I 2 ' ) 2 .R 2 ' Watt DayaM ekanikPm  Pin rotor Pcu rotor R 2'  3(I 2 ' ) 2 .R 2 ' ………………………………….(6-38) S 1 S   3(I 2 ' ) 2 .R 2 '   Watt  S 



 3(I 2 ' ) 2



Mesin Listrik



6- 17



Tgx  Tgx 2.Nr / 60 1 S   3.(I 2 ' ) 2 .R 2 '    S  1 S  3(I 2 ' ) 2 .R 2 '   S   Tg 2.Nr / 60 karena Nr  Ns(1  S),maka R ' 3(I 2 ' ) 2 2 S Tg 2.Ns / 60



...............................................................................(6-39)



Gambar 4.15 Rangkaian Ekuivalen dengan Refrensi Stator



I 2' 



Tg 



V1 .........................................................................(6-40) '  R  R  2   j(X  X ' ) 1 2  1 S    3 x. 2.Ns / 60



V12 (R1 



R 2' 2 )  (X1  X 2 ' ) 2 S



x



R 2' N  m …………………..…(6-41) S



bila harga Io diabaikan  I1  I 2 DayaKeluar M otorPg(Pout)  3.I12 .R L I1 



Pg 



………………………………………(6-42)



V1 (R eq1  R L )2  Xeq12 3.V12 .R L , k diasumsika n  1 (R eq1  R L )2  Xeq12



Mesin Listrik



6- 18



Daya Keluar Motor akan maksimum, bila : R L  Z eq1



Pg max 



3.V12 .Z eq1 (R eq1  Z eq1 ) 2  X eq12



………………………………….………..(6-43)



3.V12  2(R eq1  Z eq1 )



6.5



Penentuan Parameter Motor Induksi



Parameter dari rangkaian ekuivalen Rc , X m , R1 , X 1 , X 2 , danR2 , dapat ditentukan berdasarkan hasil tes tanpa beban, tes hubung singkat, dan dari pengukuran tahanan dc dari belitan stator. Tes tanpa beban pada motor induksi, seperti tes tanpa beban pada sebuah transformator,yang hasilnya memberikan informasi nilai arus magnetisasi dan rugi gesekan. Tes ini dilakukan dengan memberikan tegangan tiga fasa seimbang pada belitan stator pada rating frekuensinya. Bagian rotor pada kondisi pengetesan jangan terhubung dengan beban mekanis, rugi daya yang terukur pada kondisi tes tanpa beban disebabkan rugi inti, rugi gesekan dan angin. Tes hubung singkat pada motor induksi, seperti tes hubung singkat pada transformator, yang hasilnya memberikan informasi kerugian karena impedansi. Pada tes ini rotor ditahan sehingga motor tidak bisa berputar. Untuk meng-hindari hal-hal yang tidak ingin selama pengetesan biasanya tegangan yang diberikan hanya 15% - 20% dari tegangan normal motor, sedangkan untuk mendapatkan nilai parameter motor, tetap berdasarkan nilai nominalnya dengan melakukan konversi dari hasil pengukuran. Hasil pengetesan terhadap motor ini selain untuk menentukan parameter, dapat dimanfaatkan juga untuk menggambarkan diagram lingkaran. Rugi-rugi tembaga stator dan rotor dapat dipisahkan dengan menggambarkan garis torsi.



6.5.1 Tes Tanpa Beban Test tanpa beban dilakukan pada motor indukasi tiga fasa untuk memproleh data daya masuk Wo, Io, dan Vo (V) seperti yang diperlihatkan pada gambar 6.15. Pada gambar 6.15 b,kurva Wo terpotong sumbu vertikal pada titik A.



Mesin Listrik



6- 19



(a)



(b) Gambar 6.16 Tes Tanpa Beban



OA=Menunjukkan rugi-rugi yang dise-babkan gesekan dan angin. Besarnya nilai Wo yang terbaca pada saat tes tanpa beban, menunjukkan nilai kerugian yang diakibatkan oleh adanya :  Rugi tembaga Stator 3.I 0 2 .R1 .  Rugi Inti 3.Go.V 2 . 



Rugi disebabkan gesekan dan angin.



OB Menunjukkan tegangan normal, sehingga rugi-rugi pada tegangan normal dapat diketahui dengan menggambarkan garis vertikal dari titik B. BD = Rugi disebabkan gesekan dan angin. DE = Rugi tembaga stator. EF = Rugi inti



Cos0 



W0 3.V.I0



..................................................................................................(6-44)



Mesin Listrik



6- 20



6.5.2



Tes Hubung Singkat



Gambar 6.17 Tes Hubung Singkat



Tes ini dilakukan untuk :  Arus hubung singkat saat tegangan normal diberikan pada stator.  Faktor daya pada saat hubung singkat.  Reaktansi total X eq1 dari motor dengan refrensi sisi primer (stator). 



Resistansi total R eq1 dari motor dengan refrensi sisi primer.



Pada saat test dilakukan rotor ditahan dan untuk jenis rotor belitan, kumparan rotor dihubung singkat pada slipring. Kurangi tegangan suplai ( 5 atau 20 %) dari tegangan normal) dan diatur sampai arus beban penuh mengalir dalam stator. Pada saat pengetesan dilakukan catat nilai arus, tegangan, dan daya masuk yang terukur.



I hsN  I hs x



V ………………………………………………………………….(6-45) Vhs



I hsN = Arus hubung singkat diperoleh saat tegangan normal diberikan. I hs = Arus hunbung singkat diperoleh saat tegangan pengujuan diberikan. Whs  3.VhsL .I hsL .Cos hs ................................................................................(6-46) Whs Cos hs  3.VhsL .I hsL



Whs = Total daya masuk saat hubung Singkat VhsL = Tegangan Jala-jala saat hubung Singkat. I hsL = Arus Jala-jala saat hubung singkat



Rugi Tembaga Total  Whs  Wint i



Mesin Listrik



6- 21



3.I hs 2 .R eq1  Whs  Wint i ………………………………………………….…(6-47) Whs  Wint i  R eq1  3.I hs V Z eq1  hs X eq1  Z eq12  R eq12 ………………………………(6-48) I hs 6.6



Diagram Lingkaran



Penampilan Karakteristik dari sebuah Motor Induksi dapat diturunkan dari sebuah “Circular Locus” . Data yang diperlukan untuk menggambarkan diagram lingkaran bisa diperoleh dari Test Tanpa beban dan Test Hubung Singkat. Rugi-rugi tembaga stator dan rotor dapat dipisahkan dengan menggambarkan garis Torsi. Parameter dari motor dalam rangkaian ekuivalen bisa diperoleh dari test diatas. 6.6.1 Diagram Lingkaran Rangkaian Seri Ujung dari vektor arus pada sebuah rangkaian seri , yang terdiri dari reaktansi dan tegangan suplai yang diberikan konstan tetap resistansi variabel akan membentuk sebuah lingkaran. X



R



I



Z V



X







Y



Y



 O



A



C



V R  X2 X 2



V x X R 2  X2 V  Sin  X 



R



V X



V  Z



A I X C



I



 O



X



V X



Gambar 6.18 Diagram Lingkaran dari Rangkaian Seri



Mesin Listrik



6- 22



6.6.2 Diagram Lingkaran dari Rangkaian Ekuivalen a



I1



I2



'



R eq1



X eq1



Io Ic



Im



G



B



V1



RL  '



R2  1    1 K2  S 



b



Gambar 6.19 Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi



Rangkaian yang terletak disebelah kanan titik ab adalah sama dengan sebuah rangkaian seri dengan tegangan suplai V1dan reakansi Xeq1 konstan, tetapi resistansi bersifat variabel ( pengaruh slip yang berbeda-beda) , sehingga I 2 ' akan ter- letak pada sisi V lingkaran dengan diameter . X E V



B A



2 1 o



'



I 2 I1 O'



C' V X



Io



O



V X



C



Gambar 6.20 Penentuan Diameter Lingkaran Diagram



I 2 '  Arus rotor dengan refrensi stator I 0  Arus tan a beban (Arus penguaan ) I1 Total arus Stator(Jumlah Vektor )  



Apabila nilai  2 mengalami perubahan, maka titik A akan bergerak sepanjang lingkaran yang diberi tanda titik-titik. Arus pengua tanI0 dan faktor daya o akan konstan , apabila Kondukatansi Go dan Suseptansi Bo diasumsikan konstan.



Mesin Listrik



6- 23







Ujung vektor arus I 1 juga terletak pada sisi lingkaran lain yang ditempatkan pada posisi yang berbeda dan dimulai dari ujung vektor Io (O’), tetapi diameter lingkaran tetap V/X dan paralel dengan sumbu horizontal OC.



Dari gambaran diatas kita bisa melihat, bila sebuah motor induksi di coba pada sifat beban yang berbeda-beda, locus dari ujung vektor arus adalah lingkaran. Untuk menentukan Konduktansi dan Suseptansi dari Motor Induksi Tiga fasa adalah sbb :



W  3.G 0 .V 2 atau G 0 



W 3.V 2



I I 0  V.Y0 atau Y0  0 V 2 I  B0  Y0 2  G 0 2   0   G 0 2 V



..............................................(6 -49)



6.6.3 Konstruksi Diagram Lingkaran Konstruksi diagram lingkaran sebuah motor induksi tiga fasa dapat digambar- kan dengan menggunakan data yang diperoleh dari :  Test tanpa beban.  Test hubung singkat.  Test resistansi stator. A E V L



1



I1 I2



S



'



Io P



an E



Rugi Tembaga Stator



rsi s To Gari



M N O' J



0



O



ri Ga



ar lu e sK



Rugi Tembaga Rotor



F Rugi Tetap



C



K



D



G



Gambar 6-21 Diagram Lingkaran







Langkah Pertama :



Dari test tanpa beban, Io dan o dapat dhitung, vektor Io “lagging” sebesar o dari tegangan suplai V.



Mesin Listrik



6- 24







Langkah Kedua :



Dari test hubung singkat, Arus hubung singkat I hsN saat tegangan normal di- berikan V dan  hs bisa diketahui. Vektor OA menunjukkan I hsN  I hs dalam besaran dan Vhs '



fasa. Vektor O’A menunjukkan arus rotor I 2 dengan refrensi stator. Untuk menentukan titik pusat C dari diagram lingkaran, bagi garis O’A menjadi dua bagian yang sama dan buat garis tegak lurus sehingga memotong garis O’D pada titik C , dengan titik C sebagai titik tengah dan CO’ sebagai jari-jari buat lingkaran. Perlu diperhatikan vektor tegangan harus digambarkan secara vertikal , semua jarak-jarak vertikal menunjukkan komponen aktif , daya, atau komponen-komponen energi dari arus. Sebagai contoh , komponen vertikal O’P dari arus tanpa beban OO’ menunjukkan besarnya daya masuk tanpa beban yang diperlukan untuk mengatasi rugi inti, gesekan dan angin yang terjadi pada motor. Komponen vertikal AG dari arus hubung singkat OA adalah sebanding dengan besarnya daya masuk motor yang terjadi saat test hubung singkat. 



Langkah Ketiga Garis yang memisahkan memisahkan rugi tembaga stator dan rugi tembaga rotor adalah Garis Torsi. AE Rugi Tembaga Rotor ……………………………………(6 – 50)  EF Rugi Tembaga Stator Garis O’E disebut sebagai Garis Torsi. Untuk menentukan titik E pada garis AF bisa dilakukan dengan cara sebagai berikut: a. Motor Induksi Rotor Belitan Untuk motor dengan rotor belitan, resistansi rotor ( R 2 )dan resistansi stator( R 1 ) per fasa bisa dihitung berdasarkan persamaan : 2 I AE I 2 2 .R 2 R 2  I 2     1  K  Perbanding an Transformasi   EF R1  I1  I2 I12 .R1 R / K 2 R 2' Ekuivalen Re sis tan siRotor / fasa AE R 2 1  x  2   EF R1 K 2 R1 R1 Re sis tan siStator / fasa Nilai K bisa ditentukan dari test hubung singkat itu sendiri dengan menggunakan dua buah Ampermeter pada masing-masing rangkaian Stator dan Rotor. b. Motor Induksi Rotor Sangkar Resistansi Stator per fasa bisa diketahui dari test resistansi stator. Besarnya daya masuk saat test hubung singkat diperkirakan sama dengan besarnya rugi-rugi tembaga secara total pada motor (rugi inti diabaikan).



Mesin Listrik



6- 25



Rugi Tembaga Stator  3.I hs 2 .R1 Rugi Tembaga Rotor Whs  3.I hs 2 .R1 …………………………………..(4 -51) AE Whs  3.I hs 2 .R1   EF 3.I hs 2 .R1 Diasumsikan bahwa motor induksi berputar dan menyerap arus dari jala-jala sebesar OL, kemudian dari titik L tarik garis tegak lurus ke OG dan berhenti pada titik K .      



JK = Menunjukkan rugi-rugi tetap yang terjadi di dalam motor. JN = Rugi tembaga stator. NL = Daya masuk ke rotor. NM= Rugi tembaga Stator. ML = Daya keluar dari rotor. LK = Total daya masuk ke motor



sehingga :



3. VL .JK = Rugi - rugi yang terjadi pada motor. 3. VL .JN = Rugi tembaga pada stator. 3. VL .NL = Daya masuk pada bagian rotor  Torsi. 3. VL .NM=Rugi tembaga pada bagian rotor. 3. VL .ML=Daya keluar rotor atau daya mekanis. 3. VL .LK =Daya masuk ke motor. 3. VL .MK=Rugi total yang terjadi pada motor. M L Daya DayaKeluar Keluar M M otor otor  Efisiensi  M L    Efisiensi LK Daya M asuk M LK DayaM asukM otor otor NM Rugi Rugi Tembaga Tembaga Rotor Rotor  Slip  NM    Slip NL Daya M asuk rotor NL DayaM asukrotor M L Daya DayaKeluar Keluar Rotor Rotor  1S  Nr Nr  Kecepa Kecepa tan tanRotor Rotor  M L   DayaM asukRotor  1S  Ns  Kecepa tanSinkron NL NL DayaM asukRotor Ns Kecepa tanSinkron LK Daya M asuk M otor DayaM asukM otor FaktorDayamotor  LK   ArusM asukM otor   FaktorDayamotor OL OL ArusM asukM otor



6.6.4 Kuantitas Maksimum a. Keluaran Maksimum Titik M pada sisi lingkaran merupakan tangen yang dibuat secara paralel ke garis keluaran O’A .Titik M ditetapkan dengan cara menggambarkan garis CM yang ditarik Mesin Listrik



6- 26



dari titik C dan tegak lurus ke garis keluaran O’A. Kemudian dari titik M buat garis Vertikal yang memotong pada titik P, garis MP menunjukkan Keluaran Maksimum dari motor. E Torsi Maximum



V



Keluaran Maximum



M



ris Ga



P Q



K



ar elu



an



Masukan Maximum



R



N



A



Rugi Tembaga Rotor



E Rugi Tembaga Stator



rsi s To i r a G



C



F



O'



D Rugi Tetap



O



S



G



Gambar 6.22 Menentukan Kuantitas Maksimum



b. Torsi Maksimum atau Daya Masuk Rotor Titik N dibuat secara paralel dengan garis torsi O’E, titik N juga bisa diketahui dengan cara menarik garis dari titik C tegak lurus pada garis torsi sampai pada sisi lingkaran. Kemudian tarik garis vertikal dari titik N sampai memotong garis torsi pada titik Q. Titik NQ menunjukkan besarnya Torsi Maksimum yang bisa terjadi pada motor atau biasa disebut “ Pull -Out Torque”. c. Daya Masuk Maksimum Daya masuk Maksimum ditunjukkan dengan titik tertinggi dari lingkaran yaitu titik R , dengan menarik garis dari titik R secara vertikal pada garis horizontal OG sampai memotong pada titik S .Garis RS menunjukkan Daya Masuk Maksimum dari motor. 6.7



Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa



Motor induksi akan berputar pada kecepatan konstan saat dihubungkan pada tegangan dan frekuensi yang konstan, kecepatannya sangat mendekati kecepatan sinkronnya. Bila torsi beban bertambah, maka kecepatannya akan sedikit mengalami penurunan, sehingga motor induksi sangat cocok digunakan menggerakkan sistem yang membutuhkan kecepatan konstan. Namun dalam kenyataannya terutama di industri terkadang dikehendaki juga adanya pengaturan kecepatan. Pengaturan kecepatan sebuah motor induksi memerlukan biaya yang relatif mahal. Pengaturan kecepatan dapat dilakukan dengan beberapa cara, seperti dengan mengubah jumlah kutub, mengatur tahanan luar, mengatur tegangan jala-jala, dan mengatur frekuensi jala-jala. Mesin Listrik



6- 27



6.7.1



Mengubah Jumlah Kutub



Karena kecepatan operasi motor induksi mendekati kecepatan sinkron, maka kecepatan motor dapat diubah dengan cara mengubah jumlah kutubnya, sesuai dengan persamaan 120f : NS  P Hal ini dapat dilakukan dengan mengubah hubungan lilitan dari kumparan stator motor. Normalnya diperoleh dua perubahan kecepatan sinkron dengan mengubah jumlah kutub, misalnya dari 2 kutub menjadi 4 kutub. Dengan cara ini perubahan kecepatan yang dihasilkan hanya dalam “ discrete steps”.



Gambar 6.23 Mengubah Jumlah Kutub



6.7.2



Pengaturan Tahanan Rotor



Pengaturan kecepatan putaran dengan cara pengaturan tahanan luar hanya bisa dilakukan pada motor induksi rotor belitan, dengan cara menghubungkan tahanan luar ke dalam rangkaian rotor melalui slipring. Pengaturan tahanan secara manual terkadang kurang sempurna untuk beberapa jenis penggunaan,seperti sistem kontrol umpan balik. Kontrol dengan memanfaatkan komponen elektronik pada tahanan luar akan lebih memperhalus operasi pengaturan.



Mesin Listrik



6- 28



(a) Rangkaian Tahanan Rotor



b. Kurva Pengaturan Tahanan



c. Pengaturan Secara Elektronis



Mesin Listrik



6- 29



d. Pengaturan dengan lup Tertutup Gambar 6.24 Pengaturan Tahanan Rotor Motor



6.7.3



Pengaturan Tegangan



Untuk melakukan pengaturan kecepatan dengan daerah pengaturan yang sempit pada motor induksi rotor sangkar dapat dilakukan dengan cara menurunkan (mengatur) besarnya tegangan masukan. Perlu diperhatikan pengaturan kecepatan seperti ini bisa menyebabkan naiknya slip, sehingga efisiensi menurun dengan menurunnya kecepatan, dan pemanasan berlebihan pada motor bisa menimbulkan masalah. Pengaturan tegangan untuk mengatur kecepatan dapat diimplementasikan dengan mensuplai kumparan stator dari sisi sekunder autotransformator yang bisa diatur atau dengan komponen elektronik seperti rangkaian thyristor yang biasa disebut “ voltage controller”.



(a)



Mesin Listrik



6- 30



(b)



(c) Gambar 6.25 Pengaturan Tegangan



6.7.4



Pengaturan Frekuensi



Pengaturan putaran motor induksi dapat dilakukan dengan mengatur nilai frekuensi jalajala. Aplikasi metoda pengaturan kecepatan ini memerlukan sebuah pengubah frekuensi. Gambar 6.26 memperlihatkan blok diagram sistem pengaturan kecepatan umpan terbuka (open loop), frekuensi suplai ke motor dapat diatur (diubah-ubah). Untuk menghindari saturasi yang tinggi dalam magnetik, tegangan terminal ke motor harus bervariasi sebanding dengan frekuensi.



Mesin Listrik



6- 31



Gambar 6.26 Skema Pengaturan Frekuensi



6.8 Pemilihan Motor Sebelum menggunakan motor listrik untuk menggerakan suatu beban, maka terlebih dahulu kita harus mengetahui karakteristik beban yang akan digerakan tersebut, seperti :  Apakah beban akan terhubung langsung ke poros motor ?  Berapa besarnya daya yang dibutuhkan ?  Bagaimana hubungan torsi beban dengan kecepatan ?  Berapa besar torsi asut, torsi kecepatan, torsi maksimum yang dibutuhkan ?  Dimana motor akan diletakan ? dan masih banyak lagi hal-hal yang harus dijadikan acuan sebelum kita memilih motor listrik, supaya motor dapat menggerakan beban secara optimal dan efisien. Berikut ini beberapa faktor/standar yang dapat dijadikan pertimbangan dalam memilih motor, supaya sesuai dengan kebutuhan beban.  Faktor Pelayanan (Service Faktor) Motor induksi tersedia dengan berbagai tipe dan ukuran daya, apabila motor mempunyai faktor pelayanan (service faktor = SF) 1,15, hal ini menunjukan bahwa motor dapat beroperasi pada 115% beban secara terus menerus, walaupun beroperasi pada efisiensi yang lebih rendah dari yang seharusnya. Pengunaan motor dengan beban lebih sesuai SF untuk jangka waktu tertentu biasanya menjadi alternatif pengguna motor, daripada harus mem-beli motor dengan daya yang lebih besar.  Penutup Motor Penutup motor dirancang untuk memberikan perlindungan terhadap bagian- bagian yang ada didalam motor, tergantung pada lingkungan dimana motor tersebut akan



Mesin Listrik



6- 32



dipergunakan. Beberapa jenis penutup yang umum dipergunakan adalah :  ODP (Open Drip-Proof), jenis ODP digunakan pada lingkungan yang bersih dan memberikan toleransi terhadap tetesan cairan tidak lebih besar 15°secara vertikal. Pendi-nginan untuk motor memanfaatkan udara sekitarnya.  TEFC(Totally Enclosed Fan Cooled), motor dengan penutup jenis ini digunakan untuk lingkungan yang ber- debu dan korosif. Motor didinginkan oleh kipas angin eksternal.  Klasifikasi Karakteristik Torsi Motor NEMA (National Electrical Manufactures Association) telah membuat standar- disasi untuk motor induksi berdasarkan karakteristik torsinya, yaitu rancangan A, B, C, D, dan F. Tabel 6.1 memperlihatkan karakteristik torsi motor berdasarkan standar NEMA. Tabel 6.1 Karakteristik Torsi Motor Induksi Desain



Torsi Asut



Arus Asut



Slip Beban Penuh



Torsi Patah



A



N



N



R



LT



B



N



N



R



N



C D F



T T R



N R R



R T R



N T R



Ket : N = Normal, T =Tinggi, R = Rendah, LT= Lebih Tinggi Motor induksi rotor sangkar adalah motor yang paling sederhana karena dibagian rotornya tidak ada sikat. Motor induksi rotor sangkar (desain B) umumnya dipergunakan untuk menggerakan kipas, pompa sentrifugal, dan sebagainya. Motor induksi dengan torsi asut tinggi (desain C) digunakan apabila diperlukan torsi pengasutan tinggi, seperti elevator dan kerekan yang harus diasut dalam keadaan berbeban. Motor jenis ini umumnya mempunyai rotor sangkar ganda. Motor induksi desain D dirancang untuk mempunyai torsi asut tinggi dengan arus asut rendah. Motor jenis ini mempunyai tahanan rotor tinggi yang dibuat dari kuningan, motor bekerja antara 85% s.d 95% dari kecepatan sinkronnya. Motor dengan desain D biasanya dipergunakan untuk menggerakan beban yang mempunyai kelembaman tinggi, sehingga membutuhkan waktu yang relatif lama untuk mencapai kecepatan penuh.  Klasifikasi Isolasi Motor



Isolasi motor diklasifikasikan dengan hu-ruf, sesuai dengan kemampuannya terhadap suhu untuk bisa bertahan tanpa mengakibatkan penurunan karakteristik yang serius. Tabel 6.2 memperlihatkan kenaikan suhu diatas suhu kamar berdasarkan klas isolasi. Mesin Listrik



6- 33



Jenis isolasi motor yang paling umum digunakan adalah klas B. Tabel 6.2 Klasifikasi Isolasi Motor



Motor tanpa SF Motor dengan SF 1,15



Klas B



Isolasi Klas F



Klas H



80°C



105°C



125°C



90°C



115°C



135°C



Mesin Listrik



6- 34



Latihan : 1. Sebutkan beberapa keuntungan (kelebihan) dan kerugian (kekurangan) motor induksi tiga fasa bila dibandingkan dengan motor AC tiga fasa lainnya . 2. Sebutkan bagian dari motor induksi seperti terlihat pada gambar dibawah ini dengan benar : 1



4



3



2



Jawaban : 1. ……………………… 2. ……………………… 3. ……………………… 4. ……………………… 3. Sebutkan dan jelaskan fugsi bagian utama dari motor induksi berikut ini : a. Stator b. Rotor 4. Jelaskan prinsip kerja dari sebuah motor induksi tiga fasa  5. Bagaimanakah dapat terjadi perbedaan kecepatan sinkron Ns dengan kecepatan putar rotor Nr  5. Jelaskan apa yang menyebabkan terjadinya slip pada motor 6. Sebuah motor induksi 3 fasa, 4 kutub, 50 Hz , dijalankan pada kecepatan 1455 Rpm . Tentukan slipnya . 7. Sebuah motor induksi 3 fasa, 4 kutub , di suplai dengan tegangan 380 Volt, dan frekuensi 50 Hz , hitung : a. Kecepatan medan putar stator b. Kecepatan rotor bila slipnya 0,04 c. Frekuensi dalam keadaan diam 8. Sebuah motor induksi 3 fasa, 6 kutub, saat dihubungkan pada frekuensi 50 Hz, berputar dengan kecepatan 950 Rpm . Tentukan besarnya slip yang terjadi .



Mesin Listrik



6- 35



9.



Sebuah motor induksi 3 fasa, 6 kutub mempunyai slip saat beban penuh 3% di suplai oleh sebuah alternator 8 kutub ,yang mempunyai kecepatan 750 Rpm. Tentukan kecepatan beban penuh dari motor induksi dan frekuensi rotornya . 10. Bila tegangan induksi stator motor induksi 6 kutub, mempunyai frekuensi 50 Hz dan frekuensi rotornya 1,5 Hz . Berapa kecepatan putar motor dan slipnya . 11. Sebuah motor induksi 3 fasa , 12 kutub , 60 Hz , kecepatan pada beban penuh 570 Rpm . Tentukan : a. Kecepatan sinkronnya b. Slip pada beban penuh 12. Gambarkan rangkaian ekuivalen dari motor induksi 3 fasa 13. Berdasarkan rangkaian ekuivalen motor induksi, tentukan persamaan untuk menentukan nilai arus rotor ( I2). 14. Sebuah motor induksi 3 fasa, hubung bintang, 115 Volt, 60 Hz, mempunyai sebuah rangkaian ekuivalen dengan impedansi stator( 0,07 + j 0,3 ) ohm dan impedansi ekuivalen rotor ( 0,08 + j 0,3 ) ohm, rangkaian magnetisasi Go = 0,022 mho, Bo = 0,158 mho . Hitunglah besarnya I2’ dan I1 15. Sebuah motor induksi tiga fasa, 230 Volt, 60 Hz, 10 HP, 1138 Rpm mempunyai rangkaian ekuivalen sbb : R1 = 0,15 Ohm R2’ = 0,3 Ohm Rc = 225 Ohm X1 = 0,5 Ohm X2’ = 0,5 ohm Xm= 25 Ohm Tentukan : a. Nilai impedansi dilihat dari stator b. besarnya arus input ke stator 16. Sebuah motor induksi tiga fasa 220 Volt, 4 kutub, 50 Hz, 5 HP, dihubung bintang mempunyai rangkaian ekuivalen sbb : R1 = 0,45 Ohm R2’ = 0,4 Ohm X1 = 0,8 Ohm X2’ = 0,8 Ohm Bo = 1/30 mho Tentukan : a. Impedansi dilihat dari sisi stator b. Tegangan fasa dari stator c. Arus input ke stator d. Faktor daya 17. Gambarkan karakteristik Torsi sebagai fungsi putaran dari sebuah motor induksi 3 fasa. 18. Sebuah motor induksi 3 fasa , 400 volt, mempunyai rotor terhubung bintang dengan perbandingan lilitan stator:rotor = 6,5 . Tahanan rotor 0,05 Ohm dan reaktansinya saat diam 0,25 Ohm . Berapa nilai tahanan luar per fasa yang harus diberikan pada slipring agar diperoleh torsi maksimum pada saat motor di asut . 19. Sebuah motor induksi , 3 fasa , hubung bintang , 220 volt (tegangan jala-jala) , 10 HP , 60 Hz , 6 Kutub , mempunyai parameter sbb : R1 = 0,294 Ohm /fasa R2’ = 0,144 Ohm/fasa X1 = 0,503 Ohm/ fasa X2’ = 0,209 Ohm/fasa Xm = 13,25 Ohm/fasa Rc = diabaikan Jumlah rugi gesekan + angin + besi = 403 watt . Bila slip 0,02 tentukanlah kecepatan rotor, daya mekanik, kopel, arus stator, faktor daya dan efisiensinya .



Mesin Listrik



6- 36



20. Sebuah motor induksi, 3300 Volt, 24 kutub, 50 Hz, 3 fasa, terhubung bintang mempunyai tahanan rotor 0,016 Ohm dan reaktansi 0,265 Ohm/fasa saat belum berputar. Hitunglah : a. Kecepatan pada torsi maksimum b. Perbandingan torsi pada beban penuh dan torsi maksimum jika torsi beban penuh diperoleh pada kecepatan 247 Rpm . 21. Gambarkan karakteristik yang menyatakan hubungan antara Torsi dengan slip . 22.Bila sebuah motor induksi mempunyai slip 0,02 pada tegangan normal. Perkirakan besarnya nilai slip ( dgn cara pendekatan) yang dihasilkan , supaya menghasilkan torsi yang sama pada tegangan 10% diatas tegangan normal . 23.Sebuah motor induksi 3 fasa, 400 Volt, terhubung bintang, mempunyai impedansi stator (0,06 + j 0,2) Ohm dan impedansi rotor (refrensi stator) = (0,06 + j 0,22) Ohm, arus penguatan diabaikan . Tentukan daya kotor maksimum dan slip yang terjadi . 24.Motor Induksi 3 fasa , 4 kutub , 50 Hz\, 400 Volt berputar 1400 Rpm pada faktor daya 0,88 dan memberikan daya pada beban penuh 14,8 HP . Rugi-rugi stator 1060 Watt dan rugi gesekan + angin 375 Watt . Hitung : a. Slip b. Rugi tembaga rotor c. Frekuensi rotor d. Efisiensi 25. Motor induksi 3 fasa rotor belitan, rotornya dihubung bintang, mempunyai impedansi dalam keadaan diam ( 0,4 + j4) Ohm per fasa , dan impedansi rheostat per fasa (6 + j2)Ohm. Motor mempunyai tegangan induksi antar slipring sebesar 80 Volt pada keadaan diam. Apabila motor dihubungkan dengan tegangan normal , hitunglah arus rotor : a. dalam keadaan mulai di asut dengan rhostat terhubung ke slipring b. apabila dijalankan dengan slipring terhubung singkat dengan slip 3%. 26. Induksi 3 fasa rotornya dihubung bintang dan mempunyai tegangan induksi 50 Volt antar cincin slipring , saat motor belum terbuka dan rangkaian terbuka . Ketika stator dihubungkan dengan tegangan suplai normal , impedansi rotor dalam keadaan diam (0,5 + j 3,5) Ohm. Hitunglah arus fasa dan faktor daya bila : a. rotor dihubungkan dengann tahanan luar sebesar 4 Ohm/fasa b. cincin slipring dihubung singkat . 27. Sebuah motor induksi tiga fasa , 6 kutub , 50 Hz dijalankan dengan beban penuh pada slip4% menghasilkan torsi 150 Nm . Rugi gesekan + angin 200 watt dan rugi tembaga dan besi sebesar 1620 Watt . Hitunglah : a. Daya keluaran motor b. Rugi tembaga rotor c. Efisiensi pada beban penuh . 28. Kerugian-kerugian yang terjadi pada motor dapat mengurangi keluaran motor, gambarkan diagram aliran daya dari sebuah motor induksi tiga fasa . 29. Jelaskan hubungan antara Efisiensi , daya input , dan daya output secara matematis 30. Sebuah motor induksi , 1000 HP , 2200 Volt , 25 Hz , 12 Kutub , 3 fasa , hubung bintang , mempunyai data sbb : R 21  0,0992Ohm R1  0,102Ohm X1  0,313Ohm X 2 1  0,313Ohm



Mesin Listrik



6- 37



Pengukuran beban nol memberikan P = 15, 2 Kw pada cos phi = 0,053 lagging dan arus beban nol= 75,1 Ampere. Jika slip = 0,018 tentukan daya keluaran, kecepatan , torsi , daya masukan , faktor daya , dan efisiensi . 31. Percobaan/pengetesan apakah yang dilakukan untuk menentukan parameter motor induksi tiga fasa . 32. Sebuah motor induksi tiga fasa 110 Volt , hubung bintang menyerap arus 25 A dari tegangan jala-jala 30 Volt saat rotor diblok. Dengan tegangan jala-jala ini daya masuk ke motor 440 Volt dan rugi inti 40 Watt. Tahanan dc antar terminal stator 0,1 Ohm , bila ratio ac ke dc 1,6 tentukan ekuivalen rugi reaktansi/fasa dari motor dan resistansi rotor dan stator per fasa . 33. Sebuah motor induksi tiga fasa ,400 Volt diuji dan menghasilkan data sbb : Tes tanpa beban Vo = 400 Volt , Po = 1250 Watt , Io = 9 A Tes hub singkat Vhs= 150 Volt , Phs= 4 Kw , Ihs = 38 A Bila rating normal adalah 14,91 Kw, tentukan dari diagram lingkaran, arus beban penuh , faktor daya , dan slip . 34. Gambarkan diagram lingkaran dari hasil percobaan beban nol dan hubung singkat pada sebuah motor induksi tiga fasa 20 HP, 400 Volt , 6 kutub . Data hasil tes adalah : Tes tanpa beban : Po = 400 Volt ; Io = 11 A , Cos phi = 0,2 Tes Hub singkat : Phs= 100 Volt ; Ihs= 25 A , Cos Phi = 0,4 Rugi tembaga rotor saat diam adalah setengahnya dari rugi tembaga total . Dari diagram lingkaran , tentukan : a. Arus jala-jala , slip , efisiensi , dan faktor daya saat beban penuh b. Torsi maksimum . 35. Saat motor induksi tiga fasa mulai dijalankan , nilai arus asut yang terjadi sangat besar , bagaimana cara mengatasinya 36. Sebutkan tiga untuk melakukan pengasutan motor induksi 3 fasa 37. Sebuah motor induksi tiga fasa , 6 kutub , 460 Volt , 60 Hz . Ouput frekuensi variabel diperoleh dari terminal rotor . Frekuensi diatur dengan range 15 – 120 Hz . a. Tentukan kecepatan dalam rpm dari sistem untuk mendapatkan frekuensi 15 Hz dan 120 Hz . b. Bila tegangan rotor dalam keadaan terbuka adalah 240 Volt saat rotor dalam keadaan diam , tentukan tegangan rotor yang tersedia pada saat hubungan terbuka dengan frekuensi 15 Hz dan 120 Hz . 38. Sebuah motor induksi rotor belitan 6 kutub , 50 Hz, mempunyai resistansi rotor 0,2 Ohm /fasa dan berputar pada kecepatan 960 Rpm saat beban penuh. Hitung nilai resistansi per fasa dari rheostat untuk mengurangi kecepatan motor menjadi 800 Rpm dengan kondisi torsi beban penuh .



Mesin Listrik



6- 38



BAB VII



Motor Sinkron Tiga Fasa



Tujuan Pembelajaran Umum : 1. 2.



Memahami tentang prinsip kerja dan rangkaian ekuivalen motor sinkron tiga fasa. Memahami tentang daya, torsi, karakteristik motor sinkron tiga fasa dan motor sinkron sebagai kompensator.



Tujuan Pembelajaran Khusus 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.



Mahasiswa mampu menjelaskan tentang prinsip kerja dari motor sinkron dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan rangkaian ekuivalen motor sinkron tiga fasa dengan dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang timbulnya GGL di armatur pada penguatan konstan dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang timbulnya GGL di armartur pada penguat kurang dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan timbulnya GGL di armatur pada penguatan berlebihan.dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang vektor tegangan saat penguatan berkurang dan berlebih dengan benar. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang pengaruh pembebanan pada sebuah motor sinkron tiga fasa dengan benar.



Lembar Informasi : 7.1



Prinsip Kerja



Motor sinkron bekerja dengan dua sumber arus, yaitu arus bolak-balik (AC) dan sumber arus searah (DC). Motor akan berputar sinkron bila putaran medan putar sama dengan putaran rotor. Jadi bila stator dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa (AC), maka pada stator akan terjadi medan putar dan pada rotor dimasukan tegangan DC. Sumber DC baru dimasukkan setelah rotor berputar dengan putaran sinkron, karena motor sinkron akan bekerja bila Ns = Nr, bila hal ini belum tercapai, maka motor tidak akan bekerja. Gambar 7.1 mengilustrasikan sebuah motor sinkron dua kutub dengan asumsi rotor dalam keadaan diam.



Mesin Listrik



7- 1



Gambar 7.1 Motor Sinkron dua Kutub



Saat poros motor tidak berbeban, maka poros rotor “dikunci”oleh kutub stator lawan dan motor akan berputar pada kecepatan sinkron dan sudut Torsi  akan nol (Gambar 7.2 a). Bila beban mekanis diberikan pada poros rotor, maka putaran rotor cenderung menurun (Gambar 7.2 b) tetapi putaran masih sinkron. Ikatan magnetik antara medan rotor dan stator masih terjadi, tetapi rotor tertinggal oleh sudut Torsi . Torsi yang dihasilkan Td yang tergantung pada sudut  dan ini harus cukup untuk mengatasi Torsi poros (T.beban) yang terjadi.



Gambar 7.2 Pengaruh Beban pada Kutub Rotor Motor Sinkron



Mesin Listrik



7- 2



7.2



Motor Saat Berbeban



Seperti halnya pada jenis motor yang lain, pada motor sinkronpun akan terjadi ggl lawan, akibat naiknya arus yang mengalir pada jangkar sebagai kompen-sasi dari kenaikkan Torsi dan Daya oleh beban. Sebagai ilustrasi diperlihatkan pada gambar 7.3 . Apabila ada kenaikan beban pada poros motor, kecepatan rotor akan menurun sesaat karena diperlukan waktu untuk motor menyerap tambahan daya dari jala-jala. Meskipun masih berputar pada kecepatan sinkron, rotor tetap akan tertinggal sebesar sudut Torsi  dari medan stator. Ggl yang akan diinduksikan pada posisi rotor yang baru dan mengenai medan stator adalah Eb’.



Gambar 7.3 Pengaruh Kenaikan Beban pada Arus Jangkar



Saat tanpa beban (beban ringan) Eb dan V hampir berlawanan secara langsung, tetapi saat beban bertambah kutub rotor tertinggal sebesar sudut Torsi . Seperti diperlihatkan pada gambar 7.3. Eb saat berbeban bergeser sebesar Torsi  dari posisi Eb tanpa beban. Tegangan Er tergantung pada posisi Eb, dan nilai arus jangkar adalah : V  Eb  I2  4 …………………………………………………….………...(7-1) Zs Motor akan menyerap daya dari jala-jala untuk mengkompensasi kenaikan beban poros, tanpa mengakibatkan perubahan pada kecepatan rata-ratanya. Tetapi bila beban bertambah terus, bisa mengakibatkan motor keluar dari keadaan sinkron dan berhenti berputar. 7.3



Daya Dihasilkan Motor Sinkron



Gambar 6.4 memperlihatkan vektor diagram sebuah motor sinkron dengan faktor daya “leading”, dimana : OA = Tegangan suplai/fasa AB = Ggl lawan dengan sudut beban  OB = Tegangan resultan Er = I . Zs  = Sudut antara I dengan Eb



Mesin Listrik



7- 3



  Tan 1



Xs .................................................................................................(7-2) Ra



Gambar 7.4 Vektor Diagram untuk Menentukan Daya Motor



 



Garis CD dibuat dengan beda sudut  dari AB AC dan FD tegak lurus CD



Daya mekanik per fasa yang terjadi pada rotor : Pm = Eb . I . Cos  Watt ...............................................................................(7-3) pada  OBD  BD = I . Zs . Cos  BD = CD – BC atau BD = AE – BC IZs.Cos=V.Cos(-)–Eb.Cos



V Eb Cos(  )  Cos  .............................................................(7-4) Zs zs Substitusikan pers (6-4) ke pers(6-3) I.Cos 



Eb V  Cos  Pm/fasa  Eb  Cos      Zs  Zs  Eb . V Eb 2  Cos      Cos  …………………………………(7-5) Zs Zs



Mesin Listrik



7- 4



Untuk menentukan nilai daya maksimum yang dihasilkan motor dapat diperoleh dengan mendeferensialkan pers(7-5) terhadap sudut beban. 



Eb . V dPm  Sin     atau Sin ( - ) = 0   =  d Zs



 Nilai daya Maksimum



Eb . V Eb 2  Cos Zs Zs Eb . V Eb 2   Cos …………………………………….…(7-6) Zs Zs



Pm(max) 



7.4



Efisiensi Motor Sinkron



Gambar 7.5 Diagram Aliran Daya pada Sebuah Motor Sinkron



Adanya kerugian-kerugian yang terjadi pada motor mengurangi daya masuk listrik (Pin), semakin kecil kerugian yang terjadi maka semakin tinggi efisiensi motor. Adapun kerugian-kerugian yang terjadi pada sebuah motor listrik bisa diilustrasikan seperti pada gambar 7.5. Pout x100% ……………………………….(7-7) Efisiensi   Pout  Rugi Pout  .Tporos...Watt .......................................................(7-8)



Pin  3.VL.IL.Cos …………………………………….(7-9) Sehingga persamaan untuk efisiensi dapat ditulis seperti persamaan (6-10),







.Tporos .Tporos  3.Ia 2 .Ra  If .Vf  Pint i  Psu



Mesin Listrik



x100% .(7-10)



7- 5



7.5



Kurva V Motor Sinkron



Gambar 7.6, memperlihatkan diagram vektor sebuah motor sinkron dengan faktor daya yang berbeda-beda pada keadaan beban tetap.



Gambar 7.6 Diagram Vektor dalam Keadaan Beban Tetap, dengan Faktor Daya Berbeda



Arus Ia yang disuplai dari jala-jala untuk motor sinkron nilainya akan besar saat faktor daya “lagging” (penguatan kurang), kemudian menurun pada saat faktor daya “Unity” dan naik kembali pada saat faktor daya ‘leading” (penguat lebih). Sehingga kita bisa menggambarkan hubungan arus jangkar Ia dengan arus medan If untuk suatu beban yang tetap, dan perubahan ini dapat digambarkan dalam bentuk kurva V, seperti diperlihatkan pada gambar 7.7. Pada saat motor sinkron dalam kondisi tidak berbeban diberi penguatan berlebih (over exicited) akan berfungsi sebagai kapasitor, sehingga mempunyai kemampuan untuk memperbaiki faktor daya jaringan listrik dimana motor tersebut terhubung.



Gambar 7.7 Kurva V Motor Sinkron Mesin Listrik



7- 6



Hal ini terjadi karena daya reaktif yang dihasilkan motor akan mengkompensasi kelebihan fluk pada jaringan listrik. Motor sinkron yang dimanfaatkan untuk memperbaiki faktor daya biasa disebut kondensor sinkron atau kapasitor sinkron. 7.6



Pengasutan Motor Sinkron



Langkah pengasutan sebuah motor sinkron supaya berputar pada kecepatan sinkronnya tidak semudah seperti kita melakukan pengasutan pada sebuah motor induksi. Rotor sebuah mesin sinkron seperti telah dijelaskan pada sub bab sebelumnya terdiri dari kumparan yang bila diberi arus searah melalui slipring maka akan timbul kutub utara dan selatan pada sepatu kutub dimana kumparan itu diletakkan. Nilai arus yang diberikan juga bisa diatur sehingga memungkinkan faktor daya motor sinkron pada kondisi leading atau lagging. Salah satu cara untuk pengasutan motor dengan jenis rotor seperti dijelaskan di-atas adalah dengan cara mengfungsikan mesin sinkron sebagai generator sinkron dengan proses sinkronisasi seperti telah dijelaskan pada sub bab 7.8. Apabila proses sinkronisasi generator dengan jala-jala telah selesai dilakukan,selanjutnya putuskan hubungan tegangan ke penggerak mula. Proses ini akan menyebabkan aliran daya ke mesin sinkron akan berubah, yang mengakibatkan mesin sinkron berubah fungsi dari generator sinkron menjadi motor sinkron. Prosedur pengasutan seperti dijelaskan diatas biasanya dilakukan di laboratorium mesin listrik atau saat motor tidak terhubung langsung ke beban. Untuk mengatasi kesulitan dalam proses pengasutan ini, kebanyakan motor sinkron untuk digunakan industri telah dirancang secara khusus dengan dileng- kapi kumparan peredam (damper winding) yang diletakkan pada sepatu kutub dan kumparan peredam ini dihu-bung singkat pada kedua ujungnya. Pada saat periode pengasutan motor sinkron difungsikan seperti sebuah mo tor induksi sampai putaran rotornya mendekati kecepatan medan putar (kecepatan sinkron). Berikut ini adalah langkah untuk pengasutan motor sinkron yang dilengkapi dengan kumparan peredam : 1) Putuskan suplai arus searah ke kumparan medan motor sinkron, kemudian hubung singkat terminal kumparan medan; 2) Naikkan tegangan suplai tiga fasa ke terminal stator motor secara bertahap dengan menggunakan autotransformator dan amati putaran rotor sampai mendekati kecepatan sinkronnya; 3) Bila putaran rotor sudah mendekati kecepatan sinkronnya, lepaskan rangkaian hubung singkat pada kumparan medannya. Kemudian masukan suplai arus medan (dc excitation) secara bertahap sampai putaran rotor motor akan masuk pada kondisi putaran sinkron; 4) Berikan tegangan suplai ke terminal stator secara penuh (tanpa melewati autotransformator); 5) Atur nilai arus ke kumparan medan untuk memperoleh faktor daya yang dibutuhkan.



Mesin Listrik



7- 7



Latihan : 1. 2. 3. 4. 5.



Apa beda motor sinkron dengan motor induksi secara konstruksi . Sebutkan bagian-bagian motor sinkron. Apa beda secara prinsip kerja motor sinkron dengan motor induksi. Jelaskan proses terjadinya perputaran rotor pada motor sikron. Jelaskan kondisi motor sinkron pada eksitasi normal, uraikan secara vektor. a. Motor bekerja pada faktor daya lagging. b. Motor bekerja pada faktor daya leading. c. Motor bekerja pada faktor daya unity. 6. Jelaskan efek kenaikan beban pada motor sinkron jika a. Eksitasi normal. b. Eksitasi kurang c. Eksitasi lebih. 7. Jelaskan pengaruh perubahan Exitasi pada beban konstan. a. Eksitasi normal b. Eksitasi kurang c. Eksitasi lebih. 8. Motor sinkron tersambung delta, 20 kutub ,673 Volt 50 Hz, 3 fasa. Bekerja tanpa beban pada eksitasi normal, tahanan jangkar/fasa 10 ohm dan reaktansi sinkron diabaikan jika kedudukan rotor 0,5 derajat mekanik dari posisi sinkron. Hitunglah : a. Pergeseran rotor dalam derajat listrik. b. Tegangan jangkar resultan / fasa c. Arus jangkar / fasa d. Daya masuk 3 fasa 9. Motor sinkron perfasa mempunyai tegangan terminal 500 volt , daya output 7,46 kW, dan beroperasi pada pada faktor daya tertinggal 0.9. Besar tahanan armatur 0,8 Ohm. Jika rugi inti berdama-sama dengan rugi gesek per phase sebesar 500 Watt, dan rugi eksitasi per phase sebesar 800 Watt. Hitunglah : a. Arus armatur b. Effisiensi 10. Motor sinkron per phase mempunyai impedansi armatur 0.5 + j0.866 Ohm. Pada tegangan terminal 200 Volt memberikan daya output 6 kWatt. Rugi inti per phase bersama-sama dengan rugi gesek per phase sebesar 500 Watt. Apabila arus jala-jala 50 A dan rugi eksitasi diabaikan, Hitunglah : a. GGl armatur pada faktor daya tertinggal b. GGL armatur pada faktor daya mendahului 11. Motor sinkron 3-phase, 400 Volt, 50 Hz, 6 kutub tersambung dalam bentuk bintang mempunyai reaktansi sinkron 4 Ohm/phase, dan hambatan armatur 0.5 Ohm/phase. Pada beban penuh, eksitasi diatur sehingga mesin mengambil arus jala-jala 60 A pada faktor daya mendahului 0.866. Jaga agar eksitasi tidak berubah. Jika rugi-rugi eksitasi, angin dan inti 3-phase sebesar 2 kWatt.



Mesin Listrik



7- 8



Hitunglah : a. Daya output 3-phase maksimum b. Torsi sumbu maksimum c. Daya mekanik maksimum 12. Sebuah motor sinkron , 3 Fasa , 400 Volt , daya ouput 7,46 Kw . Resistansi jangkar diabaikan dan reaktansi sinkron 10 Ohm/fasa . Tentukan arus jala-jala (input) dan ggl lawan (Eb) saat beban penuh , diasumsikan efisiensi 85% , dan faktor daya unity 13. Sebuah motor sinkron, tiga fasa, hubung bintang , 13.000 Volt, arus rating 54 Ampere. Reaktansi sinkron efektif 32 Ohm/fasa dan resistansi jangkar 1,15 Ohm/fasa. Tentukan daya yang harus disuplai ke motor dan ggl lawan (Eb) untuk factor daya : a. 0,8 lagging b. 0,8 leading 14. Sebuah motor sinkron, tiga fasa, hubung bintang , 3300 Volt mempunyai reaktansi per fasa 18 Ohm dan resistansi per fasa 2 Ohm . Bila saat tanpa beban menghasilkan ggl lawan 3800 Volt (jala-jala) . Tentukan : a. Daya mekanik maksimum yang dapat dihasilkan (tiga fasa). b. Rugi tembaga total (tiga fasa). c. Arus jangkar dan pf input saat Pm maksimum 15. Sebuah motor sinkron tiga fasa 2300 Volt, hubung bintang mempunyai resistansi per fasa 0,2Ohm dan reaktansi sinkron 2,2 Ohm per fasa. Motor dioperasikan pada faktor daya 0,5 leading dengan arus jala-jala 200 A. Tentukan nilai ggl induksi (Eb) per fasa. 16. Sebuah motor sinkron , tiga fasa, hubung bintang, 6600 Volt mempunyai reaktansi per fasa 10 Ohm. Pada saat daya input yang terjadi pada motor 900 KW, tegangan induksi yang terjadi 8900 Volt. Tentukan besarnya arus jala-jala , resistansi diabaikan.



Mesin Listrik



7- 9



BAB VIII



Generator Sinkron Tiga Fasa Tujuan Pembelajaran Umum : 1. 2. 3.



Memahami tentang konstruksi mesin sinkron dan prinsip kerja generator sinkron tiga fasa. Memahami tentang rangkaian ekuivalen dan karakteristik generator sinkron. Memahami tentang pengaturan tegangan dan cara memparalelkan generator sinkron tiga fasa.



Tujuan Pembelajaran Khusus 1.



Mahasiswa mampu menjelaskan konstruksi dari sebuah konstruksi mesin sinkron dengan benar 2. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang konstruksi kumparan dan gaya gerak listrik pada generator sinkron dengan benar. 3. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang prinsip kerja dari sebuah generator sinkron dengan benar 4. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang resistansi jangkar, reaktansi bocor, dan reaktansi sinkron pada sebuah generator sinkron dengan benar. 5. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara pengujian untuk menentukan resistansi dan reaktansi generator dengan benar. 6. Mahasiswa mampu menjelaskan langkah-langkah pengujian sebuah generator sinkron dengan benar 7. Mahasiswa mampu menjelaskan macam-macam karakteristik dari sebuah generator sinkron dengan benar. 8. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang pengertian pengaturan tegangan pada generator sinkron tiga fasa dengan benar 9. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang langkah-langkah menentukan pengaturan tegangan dengan metode impedansi sinkron, metoda amper lilit, dan metode potier dengan benar 10. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang cara memparalel Generator Sinkron tiga fasa dengan benar 11. Mahasiswa mampu menjelaskan tentang arus sinkronisasi, sudut daya mesin sinkron, perhitungan daya, dan torsi pada mesin sinkron dengan benar



Mesin Listrik



8- 1



Lembar Informasi : 8.1



Pendahuluan



Sebagian besar energi listrik yang dipergunakan oleh konsumen untuk kebutuhan sehari-hari dihasilkan oleh generator sinkron fasa banyak (polyphase) yang ada di Pusatpusat pembangkit tenaga listrik. Generator sinkron yang dipergunakan ini mempunyai rating daya dari ratusan sampai ribuan Mega-volt-Ampere (MVA). Disebut mesin sinkron, karena bekerja pada kecepatan dan frekuensi konstan dibawah kondisi “Steady state“. Mesin sinkron bisa dioperasikan baik sebagai generator maupun motor. Mesin sinkron bila difungsikan sebagai motor berputar dalam kecepatan konstan, apabila dikehendaki kecepatan yang bersifat variabel, maka motor sinkron dilengkapi dengan dengan pengubah frekuensi seperti “Inverter”atau “Cycloconverter”. Sebagai generator, beberapa mesin sinkron sering dioperasikan secara paralel, seperti di pusat-pusat pembangkit. Adapun tujuan dari paralel adalah adanya pembagian beban antara generator yang satu dengan lainnya. Ada dua struktur medan magnet pada mesin sinkron yang merupakan dasar keja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC dan sebuah jangkar tempat dibangkitkannya ggl AC. Hampir semua mesin sinkron mempunyai jangkar diam (stationer) dan struktur medan berputar. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber luar melaui slipring dan sikat, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat yaitu sistem “brushless excitation”. 8.2



Konstruksi



Konstruksi dari sebuah mesin sinkron secara garis besar adalah sebagai berikut :  Bentuk Penguatan Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan flux magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric, maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter”sebagai penguatan atau menggunakan magnet permanen (penguat aktif). Alternatif lainnya untuk penguatan adalah menggunakan dioda silicon dan thyristor. Dua tipe sistem penguatan “Solid state”adalah :  Sistem statis yang mempunyai dioda atau thyristor statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui Slipring.  “Brushless System”, pada sistem ini penyearah diletakkan diporos yang berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat dan slipring.



Mesin Listrik



8- 2



Gambar 8.1 Generator Sinkron Tiga Fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot Exciter”



Gambar 8.2 Generator Sinkron Tiga Fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless Exciter System”



 Bentuk Rotor Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator Listrik-Diesel mempunyai rotor Kutub Tonjol.  Stator Stator dari mesin sinkron terbuat dari besi magnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti magnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi.



Mesin Listrik



8- 3



Gambar 8.3 memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin Sinkron Tiga Fasa, ada dua tipe yaitu : a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding). b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).



(a) Kutub Tonjol



(b) Silinder Gambar 8.3 Bentuk Rotor



 Belitan Stator Satu Lapis Gambar 8.4 yang memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi lilitan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga fasa dimulai pada Sa, Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan fasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis mek dan sudut listrik lis, adalah :



 lis 



P  mek ……………………………………….(8-1) 2



Gambar 8.4 Inti Stator dan Alur pada Stator



Mesin Listrik



8- 4



Gambar 8.5 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa



Sebuah generator sinkron mempunyai 12 kutub. Berapa sudut mekanis ditun-jukkan dengan 180 derajat listrik. Jawab : Sudut mekanis antara kutub utara dan kutub selatan adalah : 360 sudut mekanis  mek   30 0 ……………………….………………….(8-2) 12 kutub Ini menunjukkan 180 derajat listrik :



 lis 



P 12  mek  x30 0  180 0 ……………………………………………(8-3) 2 2



Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 8.6 (searah jarum jam), urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC, dengan demikian tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B, dan kemudian fasa C.



Gambar 8.6 Urutan Fasa ABC



Mesin Listrik



8- 5



Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau urutan fasa negatif, sedangkan urutan fasa ABC disebut urutan fasa positif. Jadi ggl yang dibangkitkan sistem tiga fasa secara simetris adalah :



E A  E A 0 0 Volt E B  E B   120 0 Volt .............................................................................................(8-4) E C  E C   240 0 Volt  Belitan Berlapis Ganda



Gambar 8.7 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 8.5 hanya mempunyai satu lilitan per kutub per fasa, akibatnya masing-masing kumparan hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing-masing tegangan fasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per fasa. Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan flux dalam inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terditribusi dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 8.7 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing alur ada dua sisi lilitan dan masing-masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur biasanya disebut “Winding Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.



Mesin Listrik



8- 6



 Faktor Distribusi Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan terdiri dari sejumlah lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah. Sehingga, ggl pada terminal menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan kumparan yang telah dipusatkan. Suatu faktor yang harus dikalikan dengan ggl dari sebuah kumparan distribusi untuk menghasilkan total ggl yang dibangkitkan disebut faktor distribusi Kd untuk kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari satu. Diasumsikan ada n alur per fasa per kutub, jarak antara alur dalam derajat listrik, adalah : 180 derajat listrik …………………………………..(8-5)  n x m dimana m menyatakan jumlah fasa. Perhatikan gambar 8.8, disini diperlihatkan ggl yang dinduksikan dalam alur 2 akan tertinggal (lagging) dari ggl yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar  =15 derajat listrik, demikian pula ggl yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal 2 derajat, dan seterusnya.Semua ggl ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor E1, E 2 , E3 , danE 4 . Total ggl stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.



Gambar 8.8 Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan E  E1  E 2  E 3  E 4 …………………………………………………(8-6)



Total ggl stator E lebih kecil diban-dingkan jumlah aljabar dari ggl lilitan oleh faktor.



Mesin Listrik



8- 7



Jumlah Vektor E1  E 2  E 3  E 4 …………………………………….(8-7)  Jumlah Aljabar 4xE lili tan Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan : Sin (1 / 2n) ………………………………………………………………….(8-8) Kd  nSin (/2) Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 8.9. Kd 



Gambar 8.9 Total Ggl Et dari Tiga Ggl Sinusoidal



 Faktor Kisar Gambar 8.10, memperlihatkan bentuk kisar dari sebuah kumparan, bila sisi lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar penuh, sedangkan bila diletakkan dalam alur 1 dan 6 disebut kisar pendek, karena ini sama dengan 5/6 kisar kutub.



Gambar 8.10 Kisar Kumparan



Mesin Listrik



8- 8



Kisar : 5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat 1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat. Kisar pendek sering digunakan,karena mempunyai beberapa keuntungan, diantaranya :  Menghemat tembaga yang digunakan.  Memperbaiki bentuk gelombang dari tegangan yang dibangkitkan.  Kerugian arus pusar dan Hysterisis dikurangi. Faktor.Kisar 



Jumlah Vektor ggl induksi lili tan  Kp Jumlah Aljabar ggl induksi lili tan



…………….…………………………..(8-9)



EL Ggl yang dinduksikan pada masing-masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar penuh, maka total induksi = 2 EL (Gambar 8.11). Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik, seperti diperlihatkan pada gambar 8.11 b, maka tegangan resultannya adalah : E = 2 EL. Cos 30/2



E 2.EL.Cos 30 / 2   Cos150 2.EL 2.EL 30  Atau Kp  Cos  Cos 2 2 p0 = Sin ……………….…………………………………………….(8-10) 2 dimana p 0 adalah kisar kumparan dalam derajat listrik. Kp 



Gambar 8.11 Vektor Tegangan Lilitan



 Gaya Gerak Listrik Kumparan Pada sub bab sebelumnya telah dibahas mengenai frekuensi dan besarnya tegangan masing-masing fasa secara umum. Untuk lebih mendekati nilai ggl sebenarnya yang terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.



Mesin Listrik



8- 9



Apabila



Z = Jumlah penghantar atau sisi lilitan dalam seri/fasa = 2 T



T = Jumlah lilitan per fasa d = P



dan



dt =



60 detik N



Ggl induksi rata-rata per penghantar : d .P .N.P Er    Volt ……………………………………………….(8-11) dt 60 / N 60 P.N 120.f Sedangkan f  . atau N  120 P sehingga Ggl induksi rata-rata per penghantar menjadi : .P 120.f Er  x  2.f . Volt ..................................................................................(8-12) 60 P bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : Ggl rata-rata/fasa = 2.f..Z Volt = 2.f..(2T) = 4.f..T volt ....................................................................(8-13) Ggl efektif/fasa = 1,11x 4.f..T = 4,44 x f ..T Volt ................................................................(8-14) bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka Ggl efektif/fasa E = 4,44 . Kd. Kp .f . . T Volt ...................................................(8-15) 8.3



Prinsip Kerja



Kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan berbanding secara langsung. Gambar 8.12 memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a’.



Gambar 8.12 Diagram Generator AC Satu Fasa Dua Kutub



Mesin Listrik



8 - 10



Lilitan seperti ini disebut “Lilitan Terpusat”, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan Terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka flux medan rotor ber-gerak sesuai lilitan jangkar. Satu putar-an rotor dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz). Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (r/m), frekuensi 1 Hz, untuk frekuensi f = 60 Hz, maka rotor harus berputar 3600 r/m. Untuk kecepatan rotor n r/m, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (r/s). bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor,



P n Hertz 60 2 Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik da-lam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada gambar 8.13. f =



Gambar 8.13 Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub



Masing-masing lilitan akan menghasil-kan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat : ΦA = Φm. Sin ωt ΦB = Φm. Sin (ωt – 120˚) ΦC = Φm. Sin (ωt – 240˚) Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut ΦT = ΦA + ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka besar-besarnya fluks total adalah, ΦT = Φm. Sin ωt + Φm. Sin (ωt – 120˚) + Φm. Sin (ωt – 240˚). Cos (φ – 240˚) Dengan memakai transformasi trigonometri dari : Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β), maka dari persamaan diperoleh : ΦT = ½.Φm. Sin (ωt + φ)+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin (ωt + φ – 240˚)+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin (ωt + φ – 480˚)



Mesin Listrik



8 - 11



Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima akan saling menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat fluksi total sebesar, ΦT = ¾ Φm. Sin (ωt - Φ) Weber. Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan sudut putar sebesar ω. Besarnya tegangan masing-masing fasa adalah : E maks = Bm. l. ω r Volt dimana : Bm = Kerapatan Flux maximum yang dihasilkan kumparan medan rotor (Tesla) l = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber) ω = Kecep sudut dari rotor (rad/s) r = Radius dari jangkar (meter) 8.4



Alternator Tanpa Beban



Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai alternator dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu : Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. m. T



Volt ................................................................(8-16)



Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluk hanya dihasilkan oleh arus medan (If), bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan output juga akan naik sampai titik saturasi(jenuh) seperti diperlihatkan pada gambar 8.14. Kondisi Alternator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 8.14 b.



(a)



(b)



Gambar 8.14 Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Alternator Tanpa Beban



Mesin Listrik



8 - 12



8.5



Alternator Berbeban



Bila Alternator 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 L Reaksi Jangkar Xa



a. Resistansi Jangkar Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya tegangan jatuh (Kerugian tegangan)/fasa I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar. b. Reaktansi Bocor Jangkar Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluk yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluk Bocor. c. Reaksi Jangkar Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat Alternator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (  A ) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(  F ), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar :  R  F   A ………………………………………………………….(8-17)



Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.15. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.



Gambar 8.15 Kondisi Reaksi Jangkar



Gambar a, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat alternator dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan Ggl Eb dan  A akan tegak lurus terhadap  F .



Mesin Listrik



8 - 13



Gambar b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat alternator dibebani kapasitif, sehingga arus jangkar Ia mendahului Ggl Eb sebesar  dan  A terbelakang ter- hadap  F dengan sudut (90 -). Gambar c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului Ggl Eb sebesar 90 0 dan  A akan memperkuat  F yang berpengaruh terhadap pemagnetan. Gambar d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari Ggl Eb sebesar 90 0 dan  A akan memperlemah  F yang berpengaruh terhadap pemagnetan. Jumlah dari reaktansi bocor X L dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut reaktansi sinkron Xs. Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan kapasitif diperlihatkan pada gambar 8.16. Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh yang terjadi, yaitu : Total Tegangan Jatuh pada Beban : = I.R a  j(I.X a  I.X L ) = I{R a  j(X a  X L )} = I{R a  j(Xs )}  I.Zs ……………………….………………….(8-18)



Gambar 8.16 Vektor Diagram dari Beban Alternator



Mesin Listrik



8 - 14



8.6



Menentukan Resistansi dan Reaktansi



Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari sebuah alternator, harus dilakukan percobaan(test). Ada tiga jenis test yang biasa dilakukan, yaitu :   



Test Tanpa beban (Beban Nol). Test Hubung Singkat. Test Resistansi Jangkar.



 Test Tanpa Beban Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan sinkron dengan rangkaian jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada gambar 8.17 percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan(If) dari nol sampai rating tegangan output terminal tercapai.



Gambar 8.17 Rangkaian Test Alternator Tanpa Beban  Test Hubung Singkat



Untuk melakukan test ini terminal alter-nator dihubung singkat dengan Amper-meter diletakkan diantara dua penghan-tar yang dihubung singkat tersebut(lihat Gambar 8.18). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus hubung singkat Ihs dicatat. Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar bentuk karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.18 Impedansi sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah :



Zs 



Eo I f  kons tan ........Ohm ……………………………..………………….(8-19) I hs



Mesin Listrik



8 - 15



If



A Kumparan jangkar Ihs Kumparan Medan



Stator



Rotor n



Gambar 8.18 Rangkaian Test Alternator di Hubung Singkat



Gambar 8.19 Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah Alternator



 Test Resistansi Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara dua terminal output sehingga dua fasa terhubung secara seri (Gambar 8.20). Resistansi per fasa adalah setengahnya dari yang diukur. Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu faktor untuk menentukan nilai resistansi AC efektif, R ef f . Faktor ini tergantung pada bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan konstruksi kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6. Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan berdasarkan persamaan :



X s  Zs2  R a2 Ohm ...............................................................................(8-20)



Mesin Listrik



8 - 16



Gambar 8.20 Pengukuran Resistansi DC



5.7



Pengaturan Tegangan



Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal antara keadaan beban nol dengan beban penuh, dan ini dinyatakan dengan persamaan : Eo  V % Pengaturan Tegangan = x100 ............................................................(8-21) V Terjadinya perbedaan tegangan terminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan Eo pada saat tidak berbeban dipengaruhi oleh faktor daya dan besarnya arus jangkar(Ia) yang mengalir. Untuk menentukan pengaturan tegangan dari alternator adalah dengan memanfaatkan karakteristik tanpa beban dan hubung singkat yang diperoleh dari hasil percobaan dan pengukuran tahanan jangkar. Ada tiga metoda atau cara yang sering digunakan untuk menentukan pengaturan tegangan tersebut, yaitu :  Metoda Impedansi Sinkron atau Metoda GGL.  Metoda Amper Lilit atau Metoda GGM.  Metoda Faktor Daya Nol atau Metoda Potier.  Metoda Impedansi Sinkron Untuk menentukan pangaturan tegangan dengan menggunakan Metoda Impedansi Sinkron, langkah-langkahnya sebagai berikut :  Tentukan nilai impedansi sinkron dari karakteristik tanpa beban dan karakteristik hubung singkat.  Tentukan nilai Ra berdasarkan hasil pengukuran dan perhitungan.  Berdasarkan persamaan hitung nilai Xs  Hitung harga tegangan tanpa beban Eo  Hitung prosentase pengaturan tegangan. Gambar 5.21 memperlihatkan contoh Vektor diagram untuk beban dengan faktor daya lagging. Eo =OC = Tegangan tanpa beban V =OA = Tegangan terminal I.Ra=AB=Tegangan jatuh Resistansi Jangkar I.Xs = BC= Tegangan jatuh Reaktansi Sinkron. Mesin Listrik



8 - 17



Gambar 8.21 Vektor Diagram Pf “Lagging” OC  OF2  FC2 OC  (OD  DF) 2  (FB  BC) 2



………………………….…………………(8-22)



atau Eo  (V cos   I.R a )2  (V sin   I.Xs) 2 . %Pengaturan 



Eo  V x100 V



Pengaturan yang diperoleh dengan metoda ini biasanya lebih besar dari nilai sebenarnya.  Metoda Amper Lilit Perhitungan dengan Metoda Amper Lilit berdasarkan data yang diperoleh dari percobaan tanpa beban dan hubung singkat. Dengan metoda ini reaktansi bocor Xl diabaikan dan reaksi jangkar diperhitungkan. Adapun langkah-langkah menentukan nilai arus medan yang diperlukan untuk memperoleh tegangan terminal alternator saat diberi beban penuh, adalah sebagai berikut :   



Tentukan nilai arus medan (Vektor OA) dari percobaan beban nol yang diperlukan untuk mendapatkan tegangan nominal alternator. Tentukan nilai arus medan (Vektor AB) dari percobaan hubung singkat yang diperlukan untuk mendapatkan arus beban penuh alternator. Gambarkan diagram vektornya de-ngan memperhatikan faktor daya-nya:  untuk faktor daya “Lagging” dengan sudut (90 0  )  untuk faktor daya “Leading” dengan sudut (90 0  )  untuk faktor daya “Unity” dengan sudut (90 0 )







(perhatikan Gambar 5.22 a, b, dan c) Hitung nilai arus medan total yang ditunjukkan oleh vektor OB.



Mesin Listrik



8 - 18



Gambar 8.23 memperlihatkan diagram secara lengkap dengan karakteristik beban nol dan hubung singkat. OA = Arus medan yang diperlukan untuk mendapatkan tegangan nominal. OC = Arus medan yang diperlukan untuk mendapatkan arus beban penuh pada hubung singkat. AB = OC = dengan sudut (90 0  ) terhadap OA.



Gambar 8.22 Vektor Arus Medan



Gambar 8.23 Karakteristik Beban Nol, Hubung Singkat, dan Vektor Arus Medan



Mesin Listrik



8 - 19



OB = Total arus medan yang dibutuhkan untuk mendapatkan tegangan Eo dari karakteristik beban nol.



OB  OA2  AB2  2xOAxABx cos{180  (900  )} …………………………(8-23)  Metoda Potier Metoda ini berdasarkan pada pemisahan kerugian akibat reaktansi bocor Xl dan pengaruh reaksi jangkar Xa. Data yang diperlukan adalah :  Karakteristik Tanpa beban.  Karakteristik Beban penuh dengan faktor daya nol. Khusus untuk karakteristik beban penuh dengan faktor daya nol dapat diperoleh dengan cara melakukan percobaan terhadap alternator seperti halnya pada saat percobaan tanpa beban, yaitu menaikkan arus medan secara bertahap, yang membedakannya supaya menghasilkan faktor daya nol, maka alternator harus diberi beban reaktor murni. Arus jangkar dan faktor daya nol saat dibebani harus dijaga konstan.



Gambar 8.24 Diagram Potier



Langkah-langkah untuk menggambar Diagram Potier sebagai berikut : 1. Pada kecepatan sinkron dengan beban reaktor, atur arus medan sampai tegangan nominal dan beban reaktor (arus beban) sampai arus nominal 2. Gambarkan garis sejajar melalui kurva beban nol. Buat titik A yang menunjukkan nilai arus medan pada percobaan faktor daya nol pada saat tegangan nominal.



Mesin Listrik



8 - 20



3. Buat titik B, berdasarkan percobaan hubung singkat dengan arus jangkar penuh. OB menunjukkan nilai arus medan pada saat percobaan tersebut. 4. Tarik garis AD yang sama dan sejajar garis OB. 5. Melalui titik D tarik garis sejajar kurva senjang udara sampai memotong kurva beban nol dititik J. Segitiga ADJ disebut segitiga Potier.. 6. Gambar garis JF tegak lurus AD. Panjang JF menunjukkan kerugian tegangan akibat reaktansi bocor. 7. AF menunjukkan besarnya arus medan yang dibutuhkan untuk mengatasi efek magnetisasi akibat raeksi jangkar saat beban penuh. 8. DF untuk penyeimbang reaktansi bocor jangkar (JF). Dari gambar Diagram Potier, bisa dilihat bahwa :  V nilai tegangan terminal saat beban penuh.  V ditambah JF (I.Xl) menghasilkan tegangan E.  BH = AF = arus medan yang dibu-tuhkan untuk mengatasi reaksi jangkar.  Bila vektor BH ditambah kan ke OG, maka besarnya arus medan yang dibutuhkan untuk tegangan tanpa beban Eo bisa diketahui. Vektor diagram yang terlihat pada diagram potier bisa digambarkan secara terpisah seperti terlihat pada gambar 5.25. Eo  V % Pengaturan Tegangan = x100 ………………………..………………….(8-24) V



Gambar 8.25 Vektor Diagram Potier



Mesin Listrik



8 - 21



8.8



Kerja Paralel Alternator



Bila suatu alternator mendapat pembebanan lebih dari kapasitasnya bisa mengakibatkan alternator tidak bekerja atau rusak. Untuk mengatasi beban yang terus meningkat tersebut bisa diatasi dengan menjalankan alternator lain yang kemudian dioperasikan secara paralel dengan alternator yang telah be-kerja sebelumnya. Keuntungan lain, bila salah satu alternator tiba-tiba mengalami gangguan, alternator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada alternator lain, sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari.  Cara Memparalelkan Alternator Syarat-syarat yang harus dipenuhi untuk memparalelkan dua buah alternator atau lebih ialah :     



Polaritas dari alternator harus sama dan bertentangan setiap saat terhadap satu sama lainnya. Nilai efektif arus bolak-balik dari tegangan harus sama. Tegangan Alternator(mesin) yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang sama. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala-jala harus sama. Urutan fasa dari kedua alternator harus sama.



Ada beberapa cara untuk memparalelkan alternator dengan mengacu pada syarat-syarat diatas, yaitu : a. Lampu Cahaya berputar dan Voltmeter b. Voltmeter, Frekuensi Meter, dan Synchroscope. c. Cara Otomatis  Lampu Cahaya Berputar dan Voltmeter Buat rangkaian seperti diperlihatkan pada Gambar 8.26, pilih lampu dengan tegangan kerja dua kali tegangan fasa netral alternator atau gunakan dua lampu yang dihubungkan secara seri. Dalam keadaan saklar S terbuka operasikan alternator, kemudian lihat urutan nyala lampu. Urutan lampu akan berubah menrut urutan L1 - L2 - L3 - L1 - L2 L3. Perhatikan Gambar 8.27 a, pada keadaan ini L1 paling terang, L2 terang, dan L3 redup. Perhatikan Gambar 8.27 b, pada keadaan ini:  L2 paling terang  L1 terang  L3 terang Perhatikan gambar 8.27 c, pada keadaan ini,  L1 dan L2 sama terang  L3 Gelap dan Voltmeter=0 V Pada saat kondisi ini maka alternator dapat diparalelkan dengan jala-jala (alternator lain).



Mesin Listrik



8 - 22



Gambar 8.26 Rangkaian Paralel Alternator



Gambar 8.27 Rangkaian Lampu Berputar



Mesin Listrik



8 - 23



 Voltmeter, Frekuensi Meter dan Synchroscope Pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik, untuk indikator paralel alternator banyak yang menggunakan alat Synchroscope. Penggunaan alat ini dilengkapi dengan voltmeter untuk memonitor kesamaan tegangan dan frekuensi meter untuk kesamaan frekuensi. Ketepatan sudut fasa dapat dilihat dari synchroscope. Bila jarum penunjuk berputar berlawanan arah jarum jam berarti frekuensi alternator lebih rendah dan bila searah jarum jam berarti frekuensi alternator lebih tinggi. Pada saat jarum telah diam dan menunjuk pada kedudukan vertikal, berarti beda fasa alternator dan jala-jala telah 0 (Nol) dan selisih frekuensi telah 0 (Nol),maka pada kondisi ini saklar dimasukkan (ON). Alat synchroscope tidak bisa menunjukkan urutan fasa jala-jala, sehingga untuk memparalelkan perlu dipakai indikator urutan fasa jala-jala.



Gambar 8.28 Sychroscope



 Cara Otomatis Paralel alternator secara otomatis biasanya menggunakan alat yang secara otomatis memonitor perbedaan fasa, tegangan, frekuensi, dan urutan fasa. Apabila semua kondisi telah tercapai alat memberi suatu sinyal bahwa saklar untuk paralel dapat dimasukkan.



Mesin Listrik



8 - 24



Latihan : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.



Sebutkan kegunaan penguatan DC Sebutkan dua tipe penguatan “Solid State” Sebutkan bentuk-bentuk rotor pada Generator Sinkron 3 fasa Gambarkan bentuk rotor salient pole Gambarkan bentuk rotor silinder Sebutkan alasan-alasan bahan stator terbuat dari laminasi besi magnetik Sebutkan dua tipe belitan jangkar yang umum digunakan pada mesin sinkron tiga fasa 8. Jelaskan hubungan antara frekuensi, jumlah kutub dan putaran pada generator sinkron tiga fasa 9. Tuliskan besarnya fluks magnit sesaat yang dibangkitkan oleh tiap kumparan/fasa 10. Tuliskan persamaan fluks resultan dari generator sinkron tiga fasa. 11. Jelaskan apa yang disebut dengan belitan satu lapis ? 12. Sebutkan jarak pemisahan antar kumparan fasa dalam derajat listrik dan mekanik 13. Tuliskan hubungan antara derajat listrik dengan derajat mekanik, jelaskan dengan singkat ! 14. Generator Sinkron 3 fasa mempunyai 3 pasang kutub, berapa sudut mekanik antara kutub utara dan kutub selatan? 15. Apakah yang dimaksud dengan kumparan berlapis ganda ? 16. Apa yang disebut “Winding Overhang” 17. Tuliskan persamaan untuk menentukan jarak antar alur stator pada generator sinkron tiga fasa. 18. Apakah yang disebut dengan “faktor distribusi” dari kumparan stator generator sinkron tiga fasa ? 19. Sebutkan keuntungan-keuntungan menggunakan kisar pendek untuk suatu kumparan stator pada generator sinkron tiga fasa. 20. Tuliskan persamaan Ggl/fasa dengan memperhitungkan faktor distribusi, faktor kisar suatu kumparan. 21. Jelaskan apa yang disebut dengan generator sinkron atau alternator ! 22. Pada generator tanpa beban, berapa besarnya tegangan tanpa beban yang dibangkitkan (tuliskan dengan persamaan) ! 23. Gambarkan kurva tegangan output fungsi arus medan pada generator tanpa beban (jelaskan dengan singkat) 24. Gambarkan rangkaian ekuivalen pada generator tanpa beban (jelaskan dengan singkat) ! 25. Pada generator berbeban, faktor apa saja yang dapat menyebabkan kerugian tegangan 26. Apa yang disebut dengan reaksi jangkar, jelaskan dengan singkat ! 27. Kapan terjadi reaksi jangkar (jelaskan dengan singkat) ! 28. Apa yang disebut dengan reaksi sinkron 29. Gambarkan vektor diagram untuk beban generator sinkron yang bersifat a.Induktif b.Unity c.Kapasitif 30. Sebutkan jenis-jenis test yang dilakukan untuk menentukan nilai reaktansi dan impedansi sebuah generator (alternator). 31. Apa yang disebut dengan pengaturan tegangan pada generator sinkron! 32. Tuliskan rumus/persamaan pengaturan tegangan



Mesin Listrik



8 - 25



33. Sebutkan tida metoda yang digunakan untuk menentukan pengaturan tegangan suatu generator sinkron 34. Sebutkan langkah-langkah untuk menentukan pengaturan tegangan dengan metoda impedansi sinkron! 35. Sebutkan data-data apa yang diperlukan untuk menentukan pengaturan tegangan dengan metoda Potier 36. Sebutkan langkah-langkah untuk menggambar diagram Potier dan gambarkan! 37. Sebuah alternator 3 Fasa, hubung Bintang, 4 Kutub, 50 Hz mempunyai 36 Alur dan penghantar per alur. Flux per kutub 0,05 Wb. Hitung : a. Kecepatan b. Tegangan fasa dan jala-jala dalam keadaan tanpa beban. 38. Hitung kecepatan, tegangan fasa dan jala-jala dalam keadaan tanpa beban dari sebuah alternator tiga fasa, hubung bintang, 4 kutub ,50 Hz mempunyai 36 alur dan 30 penghantar per alur . Flux per kutub 0,05 Wb , Kp diasumsikan = 1 . 39. Hasil Test Tanpa Beban dan Hubung Singkat terhadap sebuah alternator 3 Fasa,Hub Bintang, 1000 KVA , 2000 Volt, 50 Hz, sbb: If ( Amp) 10 20 25 30 40 50 Eo(Volt) 800 1500 1760 2000 2350 2600 Ihs (Amp) 200 250 300 Resistansi jangkar 0,2 Ohm/fasa. Gambarkan karakteristik berdasarkan hasil test dan dengan metoda Amper Lilit perkirakan % pengaturan tegangan untuk faktor daya :. a. 0,9 Lagging b. 0,9 Leading 40. Suatu generator sinkron figa fasa hubungan bintang 16 kutub, putaran 375 rpm dengan jumlah alur 144 dan terdapat 10 kawat (konduktor) per alur. Fluks magnit per kutub 30 mWeber. Faktor distribusi 0,85 dan faktor kisar 0,8 Hitung : a. Frekuensi generator sinkron b. Gaya Gerak Listrik (GGL) yang dibangkitkan/fasa. 41. Generator sinkron tiga fasa, hubungan bintang, 4 kutub mempunyai 24 alur dengan 12 kawat (konduktor) per alur. Fluks per kutub 0,1 Weber. Jika putaran generator 1500 rpm, tentukan : a. GGL generator b. Regulasi tegangan, jika pada beban nominal tegangannya adalah 90% dari GGL. 42. Generator sinkron tiga fasa, hubungan bintang, mempunyai dua kutub, putaran 3600 rpm, terdiri dari 500 konduktor (kawat) per fasa dalam model belitan gelombang, fluks/kutub 0,1 Weber Tentukan : a. Tegangan generator b. GGL yang dibangkitkan, jika kd = 0,85 dan kp = 0,90 c. Jika tegangan nominal generator adalah 90 % dari GGL yang dibangkitkan dan besarnya rektansi sinkron/fasa 0,5 Ohm d. Kapan terjadi daya maksimum ! e. Besarnya daya maksimum/fasa f. Besarnya torsi maksimum.



Mesin Listrik



8 - 26



DAFTAR PUSTAKA



Cathey, Jimmie .J , Electrical Machines : Analysis and Design Applying Matlab, McGraw-Hill,Singapore ,2001



George Mc Pherson, An Introduction to Electrical Machines and Transformers, John Wiley & Sons, New York, 1981 Kadir, Abdul, Transformator, PT Elex Media Komputindo, Jakarta,1989 Mc Pheson George, An Introduction to Electrical Machines and Transformer, John Wiley and Sons, USA,1981 Nasar,S.A, Electromechanics and Electric Machines, John Wiley and Sons, Canada, 1983. P.C.SEN, Principles of Electric Machines and Power Electronics, Canada, 1989. Soelaiman,TM & Mabuchi Magarisawa, Mesin Tak Serempak dalam Praktek, PT Pradnya Paramita, Jakarta,1984 Theraja, B.L, A Text Book of Electrical Tecnology, Nirja, New Delhi, 1988 Zuhal, Dasar Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia, Jakarta, 1988. http://www.myinsulators.com/hungary/busing.html http://www.answers.com/topic/motor http://smsq.pl/wiki.php?title=Induction_motor http://www.eatonelectrical.com/unsecure/html/101basics/Module04/Output/HowDoesTr ansformerWork.html http://www.dave-cushman.net/elect/transformers.html http://img.alibaba.com/photo/51455199/Three_Phase_EPS_Transformer.jpg http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/electricity/generators/index.html http://www.e-leeh.org/transformer/



Mesin Listrik I