MESIN SINKRON ( MESIN SEREMPAK )

BAB I GENERATOR SINKRON

(ALTERNATOR)

Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron.

Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan

untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkrondapat berupa

generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari

kebutuhan.

1.1 Konstruksi Generator Sinkron

Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk

mengahasilkan mdan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover

menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini

menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator

sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet

rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Gambaran

bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.1 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

1

Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan

pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor.

Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub,

sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub.

Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan

rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50

Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya

dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran

bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

(a) (b)

Gambar 1.2 Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang rotor pada generator sinkron

Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:

1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring

dan sikat.

2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada

batang rotor generator sinkron.

1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan

magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut.

Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet

tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub

eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada

2

kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat,

sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi

permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole

generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC

dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika

rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada

kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub

internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk

beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa

dengan tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.3 Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan

. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan

mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun

secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe

generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan

ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet

merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak

slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.

3

1.3 Kecepatan Putar Generator Sinkron

Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan

kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet

dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor.

Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik

pada stator adalah:

120.pnf r

e = (1.1)

yang mana:

fe = frekuensi listrik (Hz)

nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)

p = jumlah kutub magnet

Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet,

persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan

frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi

50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah

kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada

mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk

membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500

rpm.

1.4 Alternator tanpa beban

Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan

(IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk

hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.

Ea = c.n.φ (1.2)

yang mana:

c = konstanta mesin

4

n = putaran sinkron

φ = fluks yang dihasilkan oleh IF

Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya

tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF).

Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang

terlihat pada kurva sebagai berikut.

gambar 1.4 Karakteristik tanpa beban generator sinkron

1.5 Alternator Berbeban

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan

terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai

reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini

bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs)

. Persamaan tegangan pada generator adalah:

Ea = V + I.Ra + j I.Xs (1.3)

Xs = Xm + Xa (1.4)

yang mana:

Ea = tegangan induksi pada jangkar

V = tegangan terminal output

Ra = resistansi jangkar

Xs = reaktansi sinkron

5

Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor

kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 1.5 Karakteristik alternator berbeban induktif

1.6 Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron

Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini

biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan

induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang

mengalir pada mesin. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan

induksi dengan tegangan terminal adalah:

1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator, disebut

reaksi jangkar.

2. Induktansi sendiri kumparan jangkar.

3. Resistansi kumparan jangkar.

4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.

Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.6 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa

6

1.7 Menentukan Parameter Generator Sinkron

Harga s X diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan

percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada

kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi

medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan

terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar

adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh

kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah

harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup

beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya

dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.

Gambar 1.7 Karakteristik tanpa beban

Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mula-

mula arus eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui

ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus

eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara

arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus.

Gambaran karakteristik hubung singkat alternator diberikan di bawah ini.

7

Gambar 1.8 Karakteristik hubung singkat alternator

Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol.

Impedansi internal mesin adalah:

IaEaXsRaZs =+= 22 (1.5)

Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:

hs

OC

IaV

IaEaXs == (1.6)

Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron

dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada

kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian

arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat

diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.

DC

DC

IV

Ra.2

= (1.7)

Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol pada

saat pengukuran.

1.8 Diagram Fasor

8

Gambar 1.9 Diagram fasor (a) Faktor daya satu (b) faktor daya tertinggal (c) faktor

daya mendahului Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan

teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada

saat tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya

arus jangkar (Ia ) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk

faktor keja yang berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar

Ia diperlihatkan pada gambar 1.9.

1.9 Pengaturan Tegangan (Regulasi Tegangan)

Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara

keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan

gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator, yang dinyatakan sebagai

berikut.

%100xV

VVVR

FL

FLNL −= (1.8)

1.10 Kerja Paralel Alternator

9

Untuk melayani beban yang berkembang, maka diperlukan tambahan sumber

daya listrik. Agar sumber daya listrik yang yang baru (alternator baru) bisa digunakan

bersama, maka dilakukan penggabungan alternator dengan cara mempararelkan dua

atau lebih alternator pada sistem tenaga dengan maksud memperbesar kapasitas daya

yang dibangkitkan pada sistem. Selain untuk tujuan di atas, kerja pararel juga sering

dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin (alternator) yang

harus dihentikan, misalnya untuk istirahat atau reparasi, maka alternator lain masih bisa

bekerja untuk mensuplai beban yang lain. Untuk maksud mempararelkan ini, ada

beberapa pesyaratan yang harus dipenuhi, yaitu:

1. Harga sesaat ggl kedua alternator harus sama dalam kebesarannya, dan bertentangan

dalam arah, atau harga sesaat ggl alternator harus sama dalam kebesarannya dan

bertentangan dalam arah dengan harga efektif tegangan jalajala.

2. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala harus sama

3. Fasa kedua alternator harus sama

4. Urutan fasa kedua alternator harus sama

Bila sebuah generator ’G’ akan diparaelkan dengan jala-jala, maka mula-mula G

diputar oleh penggerak mula mendekati putaran sinkronnya, lalu penguatan IF diatur

hingga tegangan terminal generator tersebut sama denga jala-jala. Untuk mendekati

frekuensi dan urutan fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) digunakan alat

pendeteksi yang dapat berupa lampu sinkronoskop hubungan terang. Benar tidaknya

hubungan pararel tadi, dapat dilihat dari lampu tersebut. Bentuk hubungan operasi

paralel generator sinkron dengan lampu sinkronoskop diperlihatkan pada gambar di

bawah ini.

Gambar 1.10 Operasi paralel generator sinkron

10

Jika rangakaian untuk pararel itu benar (urutan fasa sama) maka lampu L1, L2

dan L3 akan hidup-mati dengan frekuensi fL - fG cycle. Sehingga apabila ke tiga lampu

sedang tidak bekedip berarti fL = fG atau frekuensi tegangan generator dan jala-jala

sudah sama. Untuk mengetahui bahwa fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala)

sama dapat dilihat dari lampu L1, L2, dan L3. Frekuensi tegangan generator diatur oleh

penggerak mula, sedang besar tegangan diatur oleh penguatan medan. Jika rangkaian

untuk mempararelkan itu salah (urutan fasa tidak sama) maka lampu L1, L2 dan L3

akan hidup-mati bergantian dengan frekuensi (fL + fG ) cycle. Dalam hal ini dua buah

fasa (sebarang) pada terminal generator harus kita pertukarkan.

Jika urutan fasa kedua sistem tegangan sama, maka lampu L1, L2, dan L3 akan

hidup-mati bergantian dengan frekuensi fL - fG cycle. Saat mempararelkan adalah pada

keadaan L1 mati sedangkan L2 dan L3 menyala sama terang, dan keadaan ini

berlangsung agak lama (yang berarti fL dan fG sudah sangat dekat atau benar-benar

sama). Dalam keadaan ini, posisi semua fasa sistem tegangan jala-jala berimpit dengan

semua fasa sistem tegangan generator.

11

BAB II MOTOR SINKRON

Motor Sinkron adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah energi

listrik menjadi energi mekanik. Mesin sinkron mempunyai kumparan jangkar pada

stator dan kumparan medan pada rotor. Kumparan jangkarnya berbentuk sama dengan

mesin induksi, sedangkan kumparan medan mesin sinkron dapat berbentuk kutub sepatu

(salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder). Arus searah (DC)

untuk menghasilkan fluks pada kumparan medan dialirkan ke rotor melalui cincin dan

sikat.

2.1 Prinsip Kerja Motor Sinkron

Gambar 2.1 Terjadinya torsi pada motor sinkron (a) tanpa beban (b) kondisi berbeban

(c) kurva karakteristik torsi

Gambar 2.1 memperlihatkan keadaan terjadinya torsi pada motor sinkron.

Keadaan ini dapat dijelaskan sebagai berikut: apabila kumparan jangkar (pada stator)

dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa maka akan mengalir arus tiga fasa pada

kumparan. Arus tiga fasa pada kumparan jangkar ini menghasilkan medan putar

homogen (BS). Berbeda dengan motor induksi, motor sinkron mendapat eksitasi dari

sumber DC eksternal yang dihubungkan ke rangkaian rotor melalui slip ring dan sikat.

Arus DC pada rotor ini menghasilkan medan magnet rotor (BR) yang tetap. Kutub

medan rotor mendapat tarikan dari kutub medan putar stator hingga turut berputar

dengan kecepatan yang sama (sinkron). Torsi yang dihasilkan motor sinkron merupakan

fungsi sudut torsi (δ). Semakin besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi

yang dihasilkan akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.

12

T = k .BR .Bnet sin δ (2.1)

Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu kumparan

medan (δ = 0). Setiap penambahan beban membuat medan motor “tertinggal” dari

medan stator, berbentuk sudut kopel (δ); untuk kemudian berputar dengan kecepatan

yang sama lagi. Beban maksimum tercapai ketika δ = 90o. Penambahan beban lebih

lanjut mengakibatkan hilangnya kekuatan torsi dan motor disebut kehilangan

sinkronisasi. Oleh karena pada motor sinkron terdapat dua sumber pembangkit fluks

yaitu arus bolak-balik (AC) pada stator dan arus searah (DC) pada rotor, maka ketika

arus medan pada rotor cukup untuk membangkitkan fluks (ggm) yang diperlukan motor,

maka stator tidak perlu memberikan arus magnetisasi atau daya reaktif dan motor

bekerja pada faktor daya = 1,0. Ketika arus medan pada rotor kurang (penguat

bekurang), stator akan menarik arus magnetisasi dari jala-jala, sehingga motor bekerja

pada faktor daya terbelakang (lagging). Sebaliknya bila arus pada medan rotor belebih

(penguat berlebih), kelebihan fluks (ggm) ini harus diimbangi, dan stator akan menarik

arus yang bersifat kapasitif dari jala-jala, dan karenanya motor bekerja pada faktor daya

mendahului (leading). Dengan demikian, faktor daya motor sinkron dapat diatur dengan

mengubah-ubah harga arus medan (IF)

2.2 Rangkaian Ekuivalen Motor Sinkron

Motor sinkron pada dasarnya adalah sama dengan generator sinkron, kecuali

arah aliran daya pada motor sinkron merupakan kebalikan dari generator sinkron. Oleh

karena arah aliran daya pada motor sinkron dibalik, maka arah aliran arus pada stator

motor sinkron juga dapat dianggap dibalik. Maka rangkaianekuivalen motor sinkron

adalah sama dengan rangkaian ekuivalen generator sinkron, kecuali arah arus Ia dibalik.

Bentuk rangkaian ekuivalen motor sinkron diperlihatkan pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Rangkaian ekuivalen motor sinkron

13

Dari gambar 2.2 dapat dibuatkan persamaan tegangan rangkaian ekuivalen motor

sinkron sebagai berikut.

Vθ = Ea + Ia.Ra + jIa.XS (2.2)

atau :

Ea = Vθ - Ia.Ra – jIa.XS (2.3)

2.3 Kurva Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor Sinkron

Motor sinkron pada dasarnya merupakan alat yang menyuplai tenaga ke beban

pada kecepatan konstan. Kecepatan putaran motor adalah terkunci pada frekuensi listrik

yang diterapkan, oleh karena itu kecepatan motor adalah konstan pada beban

bagaimanapun. Kecepatan motor yang tetap ini dari kondisi tanpa beban sampai torsi

maksimum yang bisa disuplai motor disebut torsi pullout. Bentuk karakteristik torsi

terhadap kecepatan ini diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.3 Karakteristik torsi - kecepatan

Dengan mengacu kebali ke persamaan (2.3) dapat dibuatkan kembali persamaan torsi

motor sinkron sebagai berikut.

XsEaV

Tm

ind .sin...3

ωδφ= (2.4)

Torsi maksimum motor terjadi ketika δ = 90°. Umumnya torsi maksimum

motor sinkron adalah tiga kali torsi beban penuhnya. Ketika torsi pada motor sinkron

melebihi torsi maksimum maka motor akan kehilangan sinkronisasi. Dengan mengacu

14

kembali ke persamaan (2.1) dan (2.4), maka persamaan Torsi maksimum (pullout)

motor sinkron dapat dibuatkan sebagai berikut.

netRind BBkT ..= (2.5)

atau

XsEaV

Tm

ind ....3

ωφ= (2.6)

Dari persamaan di atas menunjukkan bahwa semakin besar arus medan, maka torsi

maksimum motor akan semakin besar.

2.4 Pengaruh Perubahan Beban Pada Motor Sinkron

Gambar 2.4 Pengaruh perubahan beban pada motor sinkron

Gambar 2.4 memberikan gambaran bentuk pengaruh perubahan beban pada

motor sinkron. Jika beban dihubungkan pada motor sinkron, maka motor akan

membangkitkan torsi yang cukup untuk menjaga motor dan bebannya berputar pada

kecepatan sinkron. Misal mula-mula motor sinkron beroperasi pada faktor daya

mendahului (leading). Jika beban pada motor dinaikkan, putaran rotor pada asalnya

akan melambat. Ketika hal ini terjadi, maka sudut torsi δ menjadi lebih besar dan torsi

induksi akan naik. Kenaikan torsi induksi akan menambah kecepatan rotor, dan motor

akan kembali berputar pada kecepatan sinkron tapi dengan sudut torsi δ yang lebih

besar.

2.5 Pengaruh Pengubahan Arus Medan pada Motor Sinkron

15

Kenaikan arus medan IF menyebabkan kenaikan besar Ea tetapi tidak

mempengaruhi daya real yang disuplai motor. Daya yang disuplai motor berubah hanya

ketika torsi beban berubah. Oleh karena perubahan arus medan tidak mempengaruhi

kecepatan dan beban yang dipasang pada motor tidak berubah sehingga daya real yang

disuplai motor tidak berubah, dan tegangan fasa sumber juga konstan, maka jarak daya

pada diagram fasor (Ea.sin δ dan Ia.cos θ) juga harus konstan. Ketika arus medan

dinaikan, maka Ea naik, tetapi ia hanya bergeser di sepanjang garis dengan daya

konstan. Gambaran hubungan pengaruh kenaikan arus medan pada motor sinkron

diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.5 Pengaruh kenaikan arus medan pada motor sinkron

Ketika nilai Ea naik, besar arus Ia mula-mula turun dan kemudian naik lagi.

Pada nila Ea rendah, arus jangkar Ia adalah lagging dan motor bersifat induktif. Ia

bertindak seperti kombinasi resitor-induktor dan menyerap daya reaktif Q. Ketika arus

medan dinaikkan, arus jangkar menjadi kecil dan pada akhirnya menjadi segaris (sefasa)

dengan tegangan. Pada kondisi ini motor bersifat resistif murni. Ketika arus medan

dinaikkan lebih jauh, maka arus jangkar akan menjadi mendahului (leading) dan motor

menjadi beban kapasitif. Ia bertindak seperti kombinasi resistor-kapasitor menyerap

daya reaktif negatif –Q (menyuplai daya reaktif Q ke sistem). Hubungan antara arus

jangkar Ia dengan arus medan IF untuk satu beban (P) yang tetap akan merupakan kurva

yang berbentuk V seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

16

Gambar 2.6 Kurva V hubungan antara arus jangkar Ia dengan arus medan IF untuk

satu beban (P) yang tetap pada motor sinkron

Beberapa kurva V digambarkan untuk level daya yang berbeda. Arus jangkar

minimum terjadi pada faktor daya satu dimana hanya daya real yang disuplai ke motor.

Pada titik lain, daya reaktif disuplai ke atau dari motor. Untuk arus medan lebih rendah

dari nilai yang menyebabkan Ia minimum, maka arus jangkar akan tertinggal (lagging)

dan menyerap Q. Oleh karena arus medan pada kondisi ini adalah kecil, maka motor

dikatakan under excitation. Untuk arus medan lebih besar dari nilai yang menyebabkan

Ia minimum, maka arus jangkar akan mendahului (leading) dan menyuplai Q. Kondisi

ini disebut over excitation.

2.6 Kondensor Sinkron

Telah diterangkan sebelumnya bahwa apabila motor sinkron diberi penguatan

berlebih, maka untuk mengkompensasi kelebihan fluks, dari jala-jala akan ditarik arus

kapasitif. Karena itu motor sinkron (tanpa beban) yang diberi penguat berlebih akan

berfungsi sebagai kapasitor dan mempunyai kemampuan untuk memperbaiki faktor

daya. Motor sinkron demikian disebut kondensor sinkron.

17

2.7 Daya Reaktif

Motor sinkron tanpa beban dalam keadaan penguatan tertentu dapat

menimbulkan daya reaktif. Perhatikan diagram vektor motor sinkron tanpa beban pada

gambar di bawah ini.

Gambar 2.7 Diagram vektor daya reaktif motor sinkron tanpa beban

Pada gambar (a), penguatan normal, sehingga V = E. Motor dalam keadaan

mengambang karena tidak memberikan ataupun menarik arus. V berimpit dengan E

karena dalam keadaan tanpa beban sudut daya δ = 0. Pada gambar (b), penguatan

berlebih, sehingga E >V. Arus kapasitif (leading current) ditarik dari jala-jala. Daya

aktif P = VI cos θ = 0. Jadi, motor berfungsi sebagai pembangkit daya reaktif yang

bersifat kapasitif (kapasitor). Pada gambar (c), penguatan berkurang, sehingga E < V.

Arus magnetisasi (lagging current) ditarik dari jala-jala. Jadi, motor berfungsi sebagai

pembangkit daya reaktif yang bersifat induktif (induktor).

2.8 Starting Motor Sinkron

Pada saat start ( tegangan dihubungkan ke kumparan stator) kondisi motor

adalah diam dan medan rotor BR juga stasioner, medan magnet stator mulai berputar

pada kecepatan sinkron. Saat t = 0, BR dan BS adalah segaris, maka torsi induksi pada

rotor adalah nol. Kemudian saat t = ¼ siklus rotor belum bergerak dan medan magnet

stator ke arah kiri menghasilkan torsi induksi pada rotor berlawanan arah jarum jam.

Selanjutnya pada t = ½ siklus BR dan BS berlawanan arah dan torsi induksi pada

kondisi ini adalah nol. Pada t = ¾ siklus medan magnet stator ke arah kanan

menghasilkan torsi searah jarum jam. Demikian seterusnya pada t = 1 siklus medan

magnet stator kembali segaris dengan medan magnet rotor. Bentuk hubungan Torsi

motor sinkron pada kondisi start ini diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

18

Gambar 2.8 Torsi motor sinkron pada kondisi start

Selama satu siklus elektrik dihasilkan torsi pertama berlawanan jarum jam

kemudian searah jarum jam, sehingga torsi rata-rata pada satu siklus adalah nol. Ini

menyebabkan motor bergetar pada setiap siklus dan mengalami pemanasan lebih. Tiga

pendekatan dasar yang dapat digunakan untuk menstart motor sinkron dengan aman

adalah.

1. Mengurangi kecepatan medan magnet stator pada nilai yang rendah sehingga rotor

dapat mengikuti dan menguncinya pada setengah siklus putaran medan magnet. Hal

ini dapat dilakukan dengan mengurangi frekuensi tegangan yang diterapkan.

2. Menggunakan penggerak mula eksternal untuk mengakselarasikan motor sinkron

hingga mencapai kecepatan sinkron, kemudian penggerak mula dimatikan

(dilepaskan).

3. Menggunakan kumparan peredam (damper winding) atau dengan membuat

kumparan rotor motor sinkron seperti kumparan rotor belitan pada motor induksi

(hanya saat start).

19