BAB VII

Generator Sinkron

7.1. Pendahuluan

7.1.1. Deskripsi Singkat

Bab ini akan membahas generator sinkron, konstruksi generator sinkron,

Bentuk penguatan, bentuk rotor, bentuk stator, dan model paralel generator sinkron

6.1.2. Relevansi

Materi yang diberikan pada pokok bahasan ini penting bagi mahasiswa

dalam memahami generator khusunya generator AC. Bab 7 ini erat kaitannya dengan

pembahasan pada Bab 2 dan Bab 4 yang sudah dibahas sebelumnya. Dan juga

memiliki keterkaitan dengan Bab 6 dan Bab 8. Pembahasan yang lebih detail

mengenai generator AC akan diberikan pada mata kuliah tersendiri yakni mesin-

mesin listrik.

7.1.2. Kompetensi Dasar

Menjelaskan prinsip kerja dan elemen-elemen dari generator sinkron

7.2. Penyajian

7.2.1. Konstruksi Generator Sinkron

Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan

konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin. Ada dua struktur

kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu

kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa

disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat

dibangkitkannya GGL arus bola-balik.

Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang

diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur

medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat

arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless

excitation”.

7.2.2. Bentuk Penguatan

Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik

diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC

penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron

dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator

Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan

tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai penguatan atau

menggunakan magnet permanent (magnet tetap).

Gambar 7.1. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot

Exciter”.

Gambar 7.2. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless

Exciter System”.

Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan Diode silikon dan

Thyristor.

Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:

Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus

dialirkan ke rotor melalui Slipring.

“Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang

berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.

7.2.3. Bentuk Rotor

Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin

dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder gambar

7.3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator

Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol gambar 7.3b.

Gambar 7.3a. Bentuk Rotor kutub silinder.

Gambar 7.3b. Bentuk Rotor kutub menonjol.

7.2.4. Bentuk Stator

Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik , seperti telah

dibahas di sini, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar.

Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan

tinggi.

Gambar 7.4. 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).

Gambar 7.4. Inti Stator dan Alur pada Stator

a) Bentuk Stator Satu Lapis

Gambar 7.5. 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 өm dan sudut listrik өe, adalah :

me

P

2 ....................................................................................................(7.1)

Gambar 7.5. Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa.

Gambar 7.6. Urutan fasa ABC.

Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 7.6. (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.

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:

EA = EA ∟ 0° volt

EB = EB ∟ -120° volt

EC = EC ∟ -240° volt

b) Belitan Berlapis Ganda

Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 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 fluks dalam inti dan juga

melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk

mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi

dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 7.7 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.

Gambar 7.7. Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa.

7.2.5. Faktor Distribusi

Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan terdiri dari sejumlah

lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah. Sehingga, GGLl 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 (Kd < 1). Diasumsikan ada n alur per

fasa per kutub, maka jarak antara alur dalam derajat listrik, adalah :

m

listrikderajat180 ..............................................................................(7.2)

dimana m menyatakan jumlah fasa.

Gambar 7.8. Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan.

Perhatikan gambar 7.8, disini diperlihatkan GGL yang dinduksikan dalam

alur 2 akan tertinggal (lagging) dari GGL yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar ψ

=15 derajat listrik, demikian pula GGL yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal

2ψ derajat, dan seterusnya. Semua GGL ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor

E1, E2, E3 dan E4. Total GGL stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.

E = E1 + E2 + E3 + E4

Total GGLl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar dari GGL lilitan oleh

faktor.

tan4

4321

liliE

EEEE

aljabarjumlah

vektorjumlahKd

..............................................(7.3)

Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan:

2sin

2

1sin

n

n

Kd .........................................................................................(7.4)

Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang

tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 7.9.

Gambar 7.9. Total GGL Et dari Tiga GGL Sinusoidal.

7.2.6. Faktor Kisar

Gambar 7.10, 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 7.10. Kisar Kumparan

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 dapat dikurangi.

tan

tan)(

liliinduksigglaljabarjumlah

liliinduksigglvektrojumlahKpKisarFaktor ...........................(7.5)

EL GGL yang diinduksikan pada masing-masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar

penuh, maka total induksi = 2 EL (gambar 7.11).

Gambar 7.11. Vektor Tegangan Lilitan.

Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik, seperti diperlihatkan

pada gambar 7.8b, maka tegangan resultannya adalah:

E = 2 EL. Cos 30/2

15cos

2

230cos2

2 EL

EL

EL

EKp ......................................................(7.6)

atau,

2sin

2cos

2

30cos

PKp

.....................................................................(7.7)

dimana P° adalah kisar kumparan dalam derajat listrik.

7.2.7. Gaya Gerak Listrik Kumparan

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.

Apabila

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

T = Jumlah lilitan per fasa

dφ = φP dan dt = 60/N detik

maka GGL induksi rata-rata per penghantar:

6060

NP

N

P

dt

dEr

volt.....................................................................(7.8)

sedangkan jika,

120

PNf

atau,

P

fN

120

Sehingga GGL induksi rata-rata per penghantar menjadi:

fP

fPEr 2

120

60 (volt).....................................................................(7.9)

bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : GGL rata-rata/fasa

= Zf 2 Volt

= Tf 22 = Tf 4 volt

GGL efektif/fasa = Tf 411.1 = Tf 44.4 volt

bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka GGL efektif/fasa

TfKpKdE 44,4 (volt)..............................................................(7.8)

7.2.8. Metode Paralel Generator Sinkron

Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari

kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau

bahkan akan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban

yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang

kemudian dioperasikan secara paralel dengan generator yang telah bekerja

sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama.

Keuntungan dari menggabungkan 2 generator atau lebih dalam suatu

jaringan listrik adalah bila salah satu generator tiba-tiba mengalami gangguan, maka

generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain,

sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari.

Cara Memparalel Generator

Syarat-syarat yang harus dipenuhi untuk memparalel dua buah generator

atau lebih ialah:

Polaritas dari generator harus sama dan tidak bertentangan setiap saat

terhadap satu sama lainnya.

Nilai efektif arus bolak-balik dari tegangan harus sama.

Tegangan Generator yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang

sama.

Frekuensi kedua generator atau frekuensi generator dengan jala-jala harus

sama.

Urutan fasa dari kedua generator harus sama.

Ada beberapa cara untuk memparalelkan generator dengan mengacu pada

syarat-syarat diatas, yaitu :

a. Lampu Cahaya berputar dan Volt-meter

b. Voltmeter, Frekuensi Meter, dan Synchroscope.

c. Cara Otomatis

a) Lampu Cahaya Berputar dan Volt-meter

Dengan rangkaian pada gambar 7.12, pilih lampu dengan tegangan kerja dua

kali tegangan fasa-netral generator atau gunakan dua lampu yang dihubungkan secara

seri. Dalam keadaan saklar S terbuka operasikan generator, kemudian lihat urutan

nyala lampu. Urutan lampu akan berubah menurut urutan L1 - L2 - L3 - L1 - L2 - L3.

Gambar 7.12. Rangkaian Paralel Generator.

Perhatikan Gambar 7.13a, pada keadaan ini L1 paling terang, L2 terang, dan L3

redup. Perhatikan Gambar 7.13b, pada keadaan ini:

• L2 paling terang

• L1 terang

• L3 terang

Perhatikan gambar 7.13c, pada keadaan ini,

• L1 dan L2 sama terang

• L3 Gelap dan Voltmeter=0 V

Pada saat kondisi ini maka generator dapat diparalelkan dengan jala-jala (generator

lain).

b) Voltmeter, Frekuensi Meter dan Synchroscope

Pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik, untuk indikator paralel generator

banyak yang menggunakan alat Synchroscope, gambar 7.14. 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 generator lebih rendah dan bila searah

jarum jam berarti frekuensi generator lebih tinggi. Pada saat jarum telah diam dan

menunjuk pada kedudukan vertikal, berarti beda fasa generator 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 7.13 a,b dan c. Rangkaian Lampu Berputar.

c) Paralel Otomatis

Paralel generator 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.

Gambar 7.14. Synchroscope.

7.2.9. Rangkuman

Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan

konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin.

Untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC.

Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang terjadi maka harus

diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.

7.3. Penutup

Pembahasan yang diberikan pada pokok bahasan sejauh ini merupakan hal-

hal yang paling mendasar dalam genertaor sinkron. Pokok bahasan ini juga sangat

erat kaitannya dengan mata kuliah mesin-mesin listrik yang akan anda peroleh pada

semester selanjutnya, oleh karena itu disarankan untuk membaca kembali poin-point

penting dalam pokok bahasan ini.

Untuk mengetahui sejauh mana mahasiswa memahami pokok bahasan yang

diberikan pada Bab 7, berikut ini latihan soal untuk dikerjakan.

7.3.2. Latihan

Selesaikanlah soal-soal berikut, kemudian cocokanlah jawaban Anda dengan

kunci jawaban yang tersedia.

1. Jelaskan tipe sistem penguatan “solid state”!

2. Apa keuntungan dari kumparan distribusi!

3. Sebuah generator Sinkron mempunyai 12 kutub. Berapa sudut mekanis bila

sudut listtrik ditunjukkan dengan 180 derajat listrik.

7.3.3. Kunci Jawaban

1. Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:

Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus

dialirkan ke rotor melalui Slipring.

“Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang

berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.

2. Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang

tegangan yang dibangkitkan.

3. Hubunga sudut listrik dan sudut mekanik diberikan dalam persamaan:

me

P

2

me

P

2 atau

P

e

m

2 = 30

12

1802

Daftar Pustaka

1. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta,

1995

2. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume I

3. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume II

Senarai

Single Layer Winding : Belitan satu lapis

Double Layer Winding : Belitan berlapis ganda

Winding Overhang : bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur.

BAB VIII

MOTOR LISTRIK

8.1. Pendahuluan

8.1.1. Deskripsi Singkat

Bab ini akan membahas prinsip dasar dari motor listrik, motor listrik arus

searah, motor listrik arus bolak-balik, motor induksi. Penjelasan lebih difokuskan

pada pembahasan tentang komponen-komponen dan karakteristik dari setiap motor

listrik dan juga prinsip kerjanya.

8.1.2. Relevansi

Materi pada Bab 8 ini memiliki keterkaitan dengan pembahasan pada Bab-

bab sebelumnya khususnya Bab 2, Bab 4, Bab 5, Bab 6, dan Bab 7. Adapun

pembahasan yang lebih detail diberikan tersendiri dalam mata kuliah mesin-mesin

listrik, sehingga Bab ini punya keterkaitan dengan mata kuliah pada semester

selanjutnya.

8.1.2. Kompetensi Dasar

Menjelaskan prinsip dasar dari motor listrik

8.2. Penyajian

8.2.1. Umum

Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan

merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi

energi mekanik.. Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum

sama (Gambar 8.1), yaitu:

Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah

lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet,

akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.

Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.

Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan

tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh

susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang

dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/torsi

sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan

kedalam tiga kelompok:

Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan keluaran energinya

bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya tidak bervariasi.

Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa

displacement konstan.

Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi yang bervariasi

dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah pompa

sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).

Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan permintaan torsi yang

berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban

dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.

Gambar 8.1. Prinsip Dasar Kerja Motor Listrik.

8.2.2. Jenis Motor Litrik

Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: motor DC dan

motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi,

dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawah ini.

Gambar 8.2. Klasifikasi Motor Listrik.

1. Motor DC/Arus Searah

Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung

yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan

khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap

untuk kisaran kecepatan yang luas.

Gambar 8.3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga

komponen utama:

Kutub medan. Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub

magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki

kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada

ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan:

kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi

bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih

besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet.

Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia

struktur medan.

Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi

elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as

penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil,

dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub,

sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi,

arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.

Kommutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC.

Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo.

Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber

daya.

Gambar 8.3. Motor DC.

Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak

mempengaruhi kualitas pasokan daya. Kecepatan Motor DC ini dapat dikendalikan

dengan mengatur:

Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan

kecepatan.

Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada

umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan

daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering

terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih

besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan

tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal

dibanding motor AC.

Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan

dalam persamaan berikut:

Gaya elektromagnetik: E = KΦN ………….…………………………….(8.1)

Torsi: T = KΦIa …………….……………………………………………(8.2)

dengan:

E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt)

Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan

N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)

T = torsi electromagnetik

Ia = arus dinamo

K = konstanta persamaan

Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah

a) Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited, Jika arus medan dipasok

dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately

excited.

b) Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: motor shunt. Pada motor shunt,

gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan

dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 8.4. Oleh karena itu total arus

dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.

Gambar 8.4. Karakteristik Motor DC Shunt.

Kecepatan Motor Shunt

Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi

tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu

cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti

peralatan mesin.

Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan

seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada

arus medan (kecepatan bertambah).

c) Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri, gulungan medan (medan

shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan

dalam gambar 8.5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo.

Kecepatan Motor

Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.

Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan

mempercepat tanpa terkendali.

Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal

yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar 8.5).

Gambar 8.5. Karakteristik Motor DC Seri.

d) Motor DC Kompon/Gabungan.

Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor

kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri

dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 8.6.

Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan

kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase

gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque

penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 40-

50% menjadikan motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek,

sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak cocok.

Gambar 8.6. Karakteristik Motor DC Kompon.

2. Motor AC/Arus Bolak-Balik

Motor AC/arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan

arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC memiliki dua

buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan dalam Gambar

8.7.

Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen

listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap

motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk

mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi

variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya.

Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena

kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah

(harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan

rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).

Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik

a) Motor sinkron. Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan

tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC)

untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh

karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah,

seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor

sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering

digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.

Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 8.7):

1. Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah

bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan

perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor

tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited,

yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan

medan magnet lainnya.

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

frekwensi yang dipasok.

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

P

fNs

120…………………………………………………………….(8.3)

Dimana:

f = frekwensi dari pasokan frekwensi

P= jumlah kutub

Gambar 8.7. Motor Sinkron.

b) Motor induksi. Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan

pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang

sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke

sumber daya AC.

Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama (Gambar 8.8):

1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:

Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan

dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan

pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.

Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan

terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi

kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke

cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel

padanya.

2. Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa

gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang

tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat .

Klasifikasi motor induksi

Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama:

1. Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator,

beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai,

dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor

ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah

tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk

penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.

2. Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan

tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi,

dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki

rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70%

motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor,

belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga

ratusan Hp.

Gambar 8.8 Motor Induksi.

Kecepatan motor induksi

Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan

menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron

disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk

melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu,

didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada

“kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan

tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya

beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang

sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip

ring motor”.

Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase

slip/geseran:

100%

Ns

NbNsslip ………………………………………………..(8.4)

dengan:

Ns = kecepatan sinkron dalam RPM

Nb = kecepatan dasar dalam RPM

Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi

Gambar 8.9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi AC tiga

fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003):

Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torsi yang

rendah (“pull-up torque”).

Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (“pull-out

torque”) dan arus mulai turun.

Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke

nol.

Gambar 8.9. Grafik Torsi vs Kecepatan Motor Induksi.

8.2.3. Motor Listrik AC Satu Fasa

Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC

(Alternating Current, Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu:

1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa

2. Motor listrik AC / arus bolak-balik 3 fasa

Pembahasan dalam pokok bahasan ini dititik beratkan pada motor listrik AC 1 fasa,

yang terdiri dari:

Motor Kapasitor

Motor Shaded Pole

Motor Universal

Prinsip kerja Motor AC Satu Fasa

Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa,

dimana pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang

menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi

yang menghasilkan putaran. Sedangkan pada motor satu fasa memiliki dua belitan

stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitan fasa bantu (belitan Z1-

Z2), lihat gambar8.10.

Gambar 8.10. Prinsip Medan Magnet Utama dan Medan magnet Bantu Motor Satu

fasa

Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar

sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari

tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga

impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama.

Grafik arus belitan bantu Ibantu dan arus belitan utama Iutama berbeda fasa

sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan

tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan

penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan

belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu.

Gambar 8.11. grafik Gelombang arus medan bantu dan arus medan utama

Gambar 8.12. Medan magnet pada Stator Motor satu fasa

Belitan bantu Z1-Z2 pertama dialiri arus Ibantu menghasilkan fluks magnet

Φ tegak lurus, beberapa saat kemudian belitan utama U1-U2 dialiri arus utama

Iutama. yang bernilai positip. Hasilnya adalah medan magnet yang bergeser sebesar

45° dengan arah berlawanan jarum jam. Kejadian ini berlangsung terus sampai satu

siklus sinusoida, sehingga menghasilkan medan magnet yang berputar pada belitan

statornya.

Rotor motor satu fasa sama dengan rotor motor tiga fasa yaitu berbentuk

batang-batang kawat yang ujung-ujungnya dihubung singkatkan dan menyerupai

bentuk sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar.

Gambar 8.13. Rotor sangkar

Belitan rotor yang dipotong oleh medan putar stator, menghasilkan tegangan induksi,

interaksi antara medan putar stator dan medan magnet rotor akan menghasilkan torsi

putar pada rotor.

Motor Kapasitor

Motor kapasitor satu phasa banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga

seperti motor pompa air, motor mesin cuci, motor lemari es, motor air conditioning.

Konstruksinya sederhana dengan daya kecil dan bekerja dengan tegangan suplai PLN

220 V, oleh karena itu menjadikan motor kapasitor ini banyak dipakai pada peralatan

rumah tangga.

Gambar 8.14. Motor kapasitor

Belitan stator terdiri atas belitan utama dengan notasi terminal U1-U2, dan

belitan bantu dengan notasi terminal Z1-Z2 Jala-jala L1 terhubung dengan terminal

U1, dan kawat netral N terhubung dengan terminal U2. Kondensator kerja berfungsi

agar perbedaan sudut phasa belitan utama dengan belitan bantu mendekati 90°.

Pengaturan arah putaran motor kapasitor dapat dilakukan dengan (lihat gambar 8.15):

Untuk menghasilkan putaran ke kiri (berlawanan jarum jam) kondensator

kerja CB disambungkan ke terminal U1 dan Z2 dan terminal Z1 dikopel

dengan terminal.

Putaran ke kanan (searah jarum jam) kondensator kerja disambung kan ke

terminal Z1 dan U1 dan terminal Z2 dikopel dengan terminal U1.

Gambar 8.15. Pengawatan motor kapasitor dengan pembalik putaran.

Motor kapasitor dengan daya diatas 1 KW di lengkapi dengan dua buah

kondensator dan satu buah saklar sentrifugal. Belitan utama U1-U2 dihubungkan

dengan jala-jala L1 dan Netral N. Belitan bantu Z1-Z2 disambungkan seri dengan

kondensator kerja CB, dan sebuah kondensator starting CA diseri dengan kontak

normally close (NC) dari saklar sentrifugal, lihat gambar 8.16.

Awalnya belitan utama dan belitan bantu mendapatkan tegangan dari jala-

jala L1 dan Netral. Kemudian dua buah kondensator CB dan CA, keduanya

membentuk loop tertutup sehingga rotor mulai berputar, dan ketika putaran

mendekati 70% putaran nominalnya, saklar sentrifugal akan membuka dan kontak

normally close memutuskan kondensator bantu CA.

Gambar 8.16. Pengawatan dengan Dua Kapasitor

Fungsi dari dua kondensator yang disambungkan parallel, CA+CB, adalah

untuk meningkatkan nilai torsi awal untuk mengangkat beban. Setelah putaran motor

mencapai 70% putaran, saklar sentrifugal terputus sehingga hanya kondensator kerja

CB saja yang tetap bekerja. Jika kedua kondensator rusak maka torsi motor akan

menurun drastis, lihat gambar 8.17.

Gambar 8.17. Karakteristik Torsi Motor kapasitor

MotorShaded Pole

Motor shaded pole atau motor phasa terbelah termasuk motor satu phasa

daya kecil, dan banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga sebagai motor

penggerak kipas angin, blender. Konstruksinya sangat sederhana, pada kedua ujung

stator ada dua kawat yang terpasang dan dihubung singkatkan fungsinya sebagai

pembelah phasa.

Belitan stator dibelitkan sekeliling inti membentuk seperti belitan transfor

mator. Rotornya berbentuk sangkar tupai dan porosnya ditempatkan pada rumah

stator ditopang dua buah bearing.

Gambar 8.18. motor shaded pole, Motor fasa terbelah.

Irisan penampang motor shaded pole memperlihatkan dua bagian, yaitu bagian stator

dengan belitan stator dan dua kawat shaded pole. Bagian rotor sangkar ditempatkan di

tengah-tengah stator, lihat gambar 8.19.

Gambar 8.19. Penampang motor shaded pole.

Torsi putar dihasilkan oleh adanya pembelahan phasa oleh kawat shaded pole.

Konstruksi yang sederhana, daya yang kecil, handal, mudah dioperasikan, bebas

perawatan dan cukup di suplai dengan Tegangan AC 220 V, jenis motor shaded pole

banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga kecil.

Motor Universal

Motor Universal termasuk motor satu phasa dengan menggunakan belitan

stator dan belitan rotor. Motor universal dipakai pada mesin jahit, motor bor tangan.

Perawatan rutin dilakukan dengan mengganti sikat arang yang memendek atau pegas

sikat arang yang lembek. Kontruksinya yang sederhana, handal, mudah dioperasikan,

daya yang kecil, torsinya yang cukup besar motor universal dipakai untuk peralatan

rumah tangga.

Gambar 8.20. komutator pada motor universal.

Bentuk stator dari motor universal terdiri dari dua kutub stator. Belitan rotor

memiliki dua belas alur belitan dan dilengkapi komutator dan sikat arang yang

menghubungkan secara seri antara belitan stator dengan belitan rotornya. Motor

universal memiliki kecepatan tinggi sekitar 3000 rpm.

Gambar 8.21. stator dan rotor motor universal

Aplikasi motor universal untuk mesin jahit, untuk mengatur kecepatan dihubungkan

dengan tahanan geser dalam bentuk pedal yang ditekan dan dilepaskan.

8.2.4. Rangkuman

Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan merupakan

sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi

energi mekanik..

Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang

dimaksud dengan beban motor.

Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung

yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada

penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau

percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.

Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa, dimana

pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang

menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan

interaksi torsi yang menghasilkan putaran.

8.3. Penutup

Pembahasan yang diberikan pada pokok bahasan sejauh ini merupakan hal-

hal yang paling mendasar dalam motor-motor listrik. Pokok bahasan ini juga sangat

erat kaitannya dengan mata kuliah mesin-mesin listrik yang akan anda peroleh pada

semester selanjutnya, oleh karena itu disarankan untuk membaca kembali poin-point

penting dalam pokok bahasan ini.

Untuk mengetahui sejauh mana mahasiswa memahami pokok bahasan yang

diberikan pada Bab 8, berikut ini beberapa latihan soal untuk dikerjakan.

8.3.1. Latihan

Selesaikanlah soal-soal berikut, dan cocokanlah jawaban Anda dengan kunci

jawaban yang tersedia.

1. Jelaskan tentang rotor motor induksi!

2. Jelaskan cara mengendalikan keceparan motor DC!

3. Jelaskan perbedaan utama antara motor sinkron dan motor induksi.

8.3.2. Kunci Jawaban

1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:

Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan

dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan

pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.

Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan

terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi

kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke

cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel

padanya.

2. Kecepatan Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:

Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan

kecepatan.

Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

3. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa

rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran

medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi

terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang

dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan

magnet lainnya.

Daftar Pustaka

1. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta,

1995

2. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume I

3. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume II

Senarai

Slip : pergeseran

Single Layer Winding : Belitan satu lapis

Double Layer Winding : Belitan berlapis ganda

Winding Overhang : bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur

Pole : kutub