Tugas Makalah

MESIN LISTRIK

Oleh :

A.M. BASKARA JOYO

342 11 025

3B ENERGI

PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERS ENERGI

JURUSAN TEKNIK MESIN

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

2014

BAB I

PENDAHULUAN

Genx (2009) mengemukakan bahwa mesin listrik adalah

alat listrik yang berputar dan dapat mengubah energi

mekanis menjadi energi listrik (menggunakan Generator

AC/DC) dan dapat mengubah energi listrik menjadi energi

mekanis (menggunakan Motor AC/DC), serta dapat juga

mendistribusikan energi listrik dari satu rangkaian ke

rangkaian lain (menggunakan Transformator) dengan

tegangan yang bisa berubah-rubah dan dengan frekuensi

yang tetap melalui suatu medium berupa medan magnet atas

dasar prinsip Elektro Magnetis. Transformator itu di

golongkan menjadi mesin listrik statis sedangkan

generator dan motor di golongkan menjadi mesin listrik

dinamis.

Menurut Hammer (2013) Pada dasarnya terdapat dua

macam generator, yaitu generator DC dan generator AC.

1

Demikian pula dengan motor, terdapat motor DC dan motor

AC.

Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis

berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat

eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC

yaitu generator penguat terpisah, generator shunt,

generator kompon. (Hage, 2009). Berdasarkan system

pembangkitannya generator AC atau generator sinkron ini

dibagi menjadi 2 yaitu generator 1-phasa dan generator 3-

phasa. (Marlina, 2013).

Pratama (2013) mengemukakan bahwa motor AC di bagi

menjadi 2 yaitu motor sinkron dan motor induksi

(asinkron). Sedangkan motor DC berdasarkan

pembangkitannya dibagi menjadi 3 yaitu motor DC shunt,

motor DC seri, dan motor DC gabungan.

BAB II

GENERATOR

A. Generator AC

2

1. Pengertian

Marwan (2007) mengemukakan bahwa generator AC

adalah jenis mesin listrik yang banyak digunakan

pada pembangkit tenaga listrik. Generator AC juga

bisa disebut Alternator yang umum digunakan

adalah Mesin sinkron yang juga kadang digunakan

sebagai motor listrik untuk memperbaiki power

factor. Keuntungan pada mesin sinkron adalah

karena tidak menggunakan sikat komutasi. Tegangan

yang dibangkitkan pada Alternator adalah

sebanding dengan fluks dan putarannya, sedangkan

frekuensinya sebanding dengan putaran dan jumlah

kutubnya.

2. Prinsip kerja

Menurut Putra (2013) prinsip kerja Generator

AC menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika

sebatang penghantar berada pada medan magnet yang

berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan

terbentuk gaya gerak listrik. Prinsip generator

3

ini secara sederhana dapat dijelaskan bahwa

tegangan akan diinduksikan pada konduktor apabila

konduktor tersebut bergerak pada medan magnet

sehingga memotong garis-garis gaya. Hukum tangan

kanan berlaku pada generator dimana menyebutkan

bahwa terdapat hubungan antara penghantar

bergerak, arah medan magnet, dan arah resultan

dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu

jari menunjukkan arah gerakan penghantar,

telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah

menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi.

Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai

pengganti penghantar yang digerakkan.

3. Klasifikasi

Prasetya (2011) mengemukakan bahwa generator

ac ditinjau dari sumbernya dibagi menjadi 2

yaitu:

a. Generator ac 1-phasa

4

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

padarotor sangkar terjadi induksi dan interaksi

torsi yang menghasilkan putaran. Sedangkan

padamotor satu fasa memiliki dua belitan

stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-

U2) dan belitanfasa bantu (belitan Z1-Z2),

lihat gambar1.

Gambar 1. Prinsip medan magnet utama dan medanmagnet bantu generator satu fasa

5

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.

b. Generator ac 3-phase

Generator 3-fasa memiliki prinsip kerja

yang sama dengan generator 1-fasa. Tiga lilitan

konduktor disusun secara melingkar sehingga

jarak antar lilitan adalah sebesar 120 derajat.

Medan magnet yang berputar di tengah-tengah

ketiga lilitan konduktor tersebut menginduksi

lilitan-lilitan tersebut sehingga menghasilkan

tegangan listrik pada masing-masing lilitan.

Jika digambarkan menjadi sebuah kurva, maka

akan membentuk tiga kurva yang masing-masing

memiliki jarak 120 derajat. (Apriyahanda,

2011).

6

Gambar 2. Prinsip dasar generator ac 3 fasa

4. Konstruksi Generator AC

Menurut Putra (2013) Konstruksi generator

arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian

utama, yaitu:

a. Stator, yakni bagian diam yang mengeluarkan

tegangan bolak-balik.

Stator terdiri dari badan generator yang

terbuat dari baja yang berfungsi melindungi

bagian dalam generator, kotak terminal dan name

7

plate pada generator. Inti Stator yang terbuat

dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis

dan terdapat alur-alur tempat meletakkan

lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan

tempat untuk menghasilkan tegangan. Sedangkan,

rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau

kutub dengan celah udara sama rata (rotor

silinder).

b. Rotor, yakni bagian bergerak yang menghasilkan

medan magnit yang menginduksikan ke stator.

5. Karakteristik generator ac

Karakteristik motor ac Harga lebih murah.

Pemeliharaannya lebih mudah. Ada berbagai bentuk

displai untuk berbagai lingkungan pengoperasian.

Kemampuan untuk bertahan pada lingkungan

pengoperasian yang keras. Secara fisik lebih

kecil dibandingkan dengan motor dc dari HP yang

sama. Biaya perbaikan lebih murah. Kemampuan

untuk berputar pada kecepatan di atas ukuran

8

kecepatan kerja yang tertera di nameplate.

(Putra, 2013).

B. Generator DC

1. Pengertian

Putra (2013) mengemukakan bahwa Generator DC

merupakan sebuah perangkat Motor listrik yang

mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.

Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah.

Menurut Marwan (2007) Mesin DC bisa dioperasikan

sebagai motor maupun generator.

Hammers (2013) mengatakan bahwa Terdapat dua

jenis motor DC, yaitu motor penguat terpisah, dan

motor penguat sendiri. Motor penguat sendiri

meliputi:motor seri, motor shunt dan motor

kompon yang merupakan kombinasi antara motor seri

dan motor shunt. Sedangkan generator pada

dasarnya adalah sama, tetapi yang sering

digunakan adalah jenis generator terpisah.

9

Karakteristik motor penguat Terpisah adalah

arus eksitasinya tidak tergantung dari sumber

tegangan yang mencatunya. Putaran jangkar akan

turun jika momen torsinya naik.

2. Konstruksi Generator DC

Pada umumnya generator DC dibuat dengan

menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub

rotor, regulator tegangan digital, proteksi

terhadap beban lebih, starter eksitasi,

penyearah, bearing dan rumah generator atau

casis, serta bagian rotor. Gambar berikut

menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi

generator DC.

Gambar 3. Konstruksi generator DC

10

Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator,

yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian

rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar.

Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan

stator, sikat arang, bearing dan terminal box.

Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator,

belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.

Bagian yang harus menjadi perhatian untuk

perawatan secara rutin adalah sikat arang yang

akan memendek dan harus diganti secara periodic /

berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran

sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang

yang mengisi celah-celah komutator, gunakan

amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat

arang. (Putra, 2013).

Belitan Generator Terdiri dari:

a. Belitan sangkar

b. Belitan Kutub bantu

c. Belitan eksitansi

11

Arus beban mengalir melalui dua belitan yang

pertama, belitan ini mempunyai resistensi yang

kecil. Sistem pengukuran tahanan belitan jangkar

ini ada beberapa metode pengukuran yang bisa

dilakukan antara lain metode ohm meter, volt, dan

ampere meter, metode dinamis dan statis. (Marwan,

2007).

3. Prinsip kerja

Menurut Sabrina (2013) prinsip kerja generator DC

itu sendiri di hasilkan pembangkit listrik

melalui induksi dengan 2 cara yaitu :

a. Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan

tegangan induksi bolak-balik.

b. dengan menggunakan komutator, menghasilkan

tegangan DC.

Jika rotor beruptar pada pada sekeliling

medan magnet maka akan menghasilkan perpotongan

medan magnet pada lilitan kawat pada rotor itu

sendiri . rotor pada generator dc akan

12

menghasilkan tegangan bolak balik dan fungsi

sebuah komutator adalah sebagai penyearah tegangan

itu sendiri menjadi AC .

Besarnya tegangan yang di hasilkan dari

sebuah generator DC sebanding dengan perputaran

yang di hasilkan rotor. (Sabrina, 2013).

Gambar 4. Prinsip Kerja generator

4. Klasifikasi Generator DC

Menurut Hage (2009) Generator DC dibedakan

menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian

belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap

jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:

a.Generator Penguat terpisah

13

Pada generator penguat terpisah, belitan

eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung

menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis

generator penguat terpisah, yaitu:

1). Penguat elektromagnetik (a)

Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat

elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan

tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan

secara elektronik atau magnetik. Generator ini

bekerja dengan catu daya DC dari luar yang

dimasukkan melalui belitan F1-F2.

2). Magnet permanent / magnet tetap (b)

Penguat dengan magnet permanen menghasilkan

tegangan output generator yang konstan dari

terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V

relatif konstan dan tegangan akan menurun

sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati

harga nominalnya.

14

Gambar 5. Generator penguat terpisah.

Karakteristik generator penguat terpisah

Gambar 6. Karakteristik generator penguat

terpisah

Gambar 6 menunjukkan:

Karakteristik generator penguat terpisah saat

eksitasi penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi

15

setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus

eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output

generator akan sedikit turun jika arus beban

semakin besar.

Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar.

Penurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan

reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan

turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet,

sehingga tegangan induksi menjadi kecil.

b. Generator Shunt

Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2

terhubung paralel dengan rotor (A1-A2). Tegangan

awal generator diperoleh dari magnet sisa yang

terdapat pada medan magnet stator. Rotor

berputar dalam medan magnet yang lemah,

dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan

magnet stator, sampai dicapai tegangan

nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang

melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan

16

geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin

besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan

tegangan terminal meningkat sampai mencapai

tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator

shunt dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 7. Diagram rangkaian generator shunt

Jika generator shunt tidak mendapatkan arus

eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada,

atau jika belitan eksitasi salah sambung atau

jika arah putaran terbalik, atau rotor

terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan

atau energi listrik yang dihasilkan oleh

generator tersebut.

17

Karakteristik Generator Shunt

Gambar 8. Karakteristik generator shunt

Generator shunt mempunyai karakteristik

seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Tegangan

output akan turun lebih banyak untuk kenaikan

arus beban yang sama, dibandingkan dengan

tegangan output pada generator penguat terpisah.

18

Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari

generator penguat terpisah dan generator shunt

tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah

generator mempunyai tegangan output yang

konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada

generator kompon. (Hage, 2009).

c. Generatot Kompon

Hage (2009) mengemukakan bahwa generator

kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti

kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi

merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan

penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon

ditunjukkan pada Gambar 9. Pengatur medan magnet

(D1-D2) terletak di depan belitan shunt.

19

Gambar 9. Diagram angkaian generator kompon

Karakteristik generator kompon

Gambar 10. Karakteristik generator kompon

Gambar 10 menunjukkan karakteristik generator

kompon. Tegangan output generator terlihat

konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada

arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini

disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri,

20

yang cenderung naik tegangannya jika arus beban

bertambah besar. (Hage, 2009).

BAB III

MOTOR LISTRIK

A. Motor AC

1. Pengertian

Gede (2013) mengemukakan bahwa Motor AC adalah

adalah motor listrik yang digerakkan oleh arus bolak-

balik (Alternating Current). Jadi perbedaan utama

motor AC dan motor DC adalah sumber arusnya. Seperti

yang telah dibahas sebelumnya, motor AC dibedakan

menjadi 2 jenis, yaitu motor sinkron dan motor

induksi/motor asinkron. Motor sinkron didefinisikan

sebagai motor yang memiliki output kecepatan putaran

motornya yg sinkron/sebanding (tanpa slip) dengan

frekuensi listrik yg masuk ke statornya. Sedangkan

motor induksi didefinisikan sebagai motor yang

21

bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke

rotornya. Arus rotor motor ini bukan diperoleh dari

sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang

terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif

antara putaran rotor dengan medan putar (rotating

magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.

2. Konstruksi Motor AC

Seperti motor-motor jenis lainnya, menurut Gede

(2013) motor induksi pada dasarnya mempunyai 3

bagian penting sebagai berikut:

a. Stator yaitu bagian yang diam dan mempunyai

kumparan yang dapat menginduksikan medan

elektromagnetik kepada kumparan rotornya.

b. Celah (air gap) yaitu celah udara antara stator

dan rotor. Air gap ini merupakan tempat

berpindahnya energi dari startor ke rotor. Pada

celah udara ini lewat fluks induksi stator yang

memotong kumparan rotor sehingga meyebabkan rotor

berputar. Celah udara yang terdapat antara stator

22

dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga

didapatkan hasil kerja motor yang optimum. Bila

celah udara antara stator dan rotor terlalu besar

akan mengakibatkan efisiensi motor induksi rendah,

sebaliknya bila jarak antara celah terlalu

kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis

pada mesin.

c. Rotor, yaitu bagian yang bergerak akibat adanya

induksi magnet dari kumparan stator yang

diinduksikan kepada kumparan rotor.

Menurut Gede (2013) Berdasarkan bentuk

konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi

menjadi dua jenis, yaitu :

a. Rotor sangkar (squirrel cage) adalah bagian dari

mesin yang berputar bebas dan letaknya bagian

dalam. Terbuat dari besi laminasi yang mempunayi

slot dengan batang alumunium / tembaga yang

dihubungkan singkat pada ujungnya.

23

b. Rotor kumparan (wound rotor) adalah kumparan

yang dihubungkan bintang dibagian dalam dan ujung

yang lain dihubungkan dengan slipring ke tahanan

luar. Kumparan sendiri dapat dikembangkan menjadi

pengaturan kecepatan putaran motor. Pada kerja

normal slipring hubung singkat secara otomatis,

sehingga rotor bekerja seperti rotor sangkar.

Gambar 11. Bagian-bagian motor ac

3. Klasifikasi Motor AC

Motor AC dibedakan menjadi dua jenis yaitu

motor asinkron atau biasa juga disebut motor

induksi dan motor sinkron.

a. Motor asinkron/induksi

24

Motor induksi didefinisikan sebagai motor

yang bekerja berdasarkan induksi medan magnet

stator ke rotornya. Arus rotor motor ini bukan

diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan

arus yang terinduksi sebagai akibat adanya

perbedaan relatif antara putaran rotor dengan

medan putar (rotating magnetic field) yang

dihasilkan oleh arus stator. (Gede, 2013).

1). Prinsip Kerja

Nugraha (2011) mengemukakan bahwa motor

induksi bekerja berdasarkan induksi

elektromagnetik dari kumparan stator kepada

kumparan rotornya. Garis-garis gaya fluks yang

diinduksikan dari kumparan stator akan memotong

kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl)

atau tegangan induksi dan karena penghantar

(kumparan) rotor merupakan rangkaian yang

tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan

rotor.

25

Penghantar (kumparan) rotor yang dialiri

arus ini berada dalam garis gaya fluks yang

berasal dari kumparan stator sehingga kumparan

rotor akan mengalami gaya Lorentz yang

menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan

rotor sesuai dengan arah pergerakan medan

induksi stator. Pada rangka stator terdapat

kumparan stator yang ditempatkan pada slot-

slotnya yang dililitkan pada sejumlah kutup

tertentu. Jumlah kutup ini menentukan kecepatan

berputarnya medanstator yang terjadi yang

diinduksikan ke rotornya. Makin besar jumlah

kutup akan mengakibatkan makin kecilnya

kecepatan putar medanstator dan sebaliknya.

Kecepatan berputarnya medan putar ini disebut

kecepatan sinkron.

Menurut Azhary (2011) jika dijelaskan secara

sistematis maka prinsip kerja motor induksi itu

sebagai berikut:

26

a). Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator

yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga

phasa yang setimbang menghasilkan arus pada

tiap belitan phasa.

b). Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi

bolak-balik yang berubah-ubah.

c). Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah

secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus

terhadap belitan phasa.

d). Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada

stator motor yang besarnya adalah e1 = -N d

Ф / dt ( Volt ) atau 4,44FN1 Ф

(Volt ).

e). Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik

tersebut disebut medan putar yang berputar

dengan kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns

ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi

stator f yang dirumuskan dengan Ns = 120 F / P

( rpm ).

27

f). Fluksi yang berputar tersebut akan memotong

batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada

kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl)

sebesar E2 yang besarnya 4,44FN2 Ф

( Volt )

dimana :

E2 = Tegangan induksi pada rotor

saat rotor dalam keadaan diam (Volt)

N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor

Фm = Fluksi maksimum(Wb)

g). Karena kumparan rotor merupakan rangkaian

tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan

arus I2.

h). Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan

menimbulkan gaya F pada rotor.

i). Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F

cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor

akan berputar searah medan putar stator.

j). Perputaran rotor akan semakin meningkat

hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan

28

kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor

(nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan S =

Ns - Nr / Ns

k). Pada saat rotor dalam keadaan berputar,

besarnya tegangan yang terinduksi pada kumparan

rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.

Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s yang

besarnya E2s = 4,44FN2 Фm ( Volt )

Dimana: E2s = tegangan induksi pada rotor

dalam keadaan berputar (Volt)

f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi

tegangan induksi pada rotor dalam keadaan

berputar)

l). Bila ns = nr, tegangan tidak akan

terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada

kumparan rotor, karenanya tidak dihasilkan

kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns.

29

2) Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Gambar 12. Analogi dan rangkaian ekivalen motor

induksi

Dari analogi diatas, pengoperasian motor

induksi pasti menghasilkan power loss. Power

loss tersebut dapat berasal dari daya mekanik

motor, rugi-rugi tembaga rotor, dan rugi-rugi

tembaga stator. (Gede, 2013).

30

3) Pengaplikasian Motor Induksi

Motor induksi sangat banyak digunakan di

dalam kehidupan sehari-hari baik di industri

maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum

dipakai adalah motor induksi 3-fasA dan motor

induksi 1-fasA. Motor induksi 3-fasA

dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan

banyak digunakan di dalam berbagai bidang

industri, sedangkan motor induksi 1-fase

dioperasikan pada sistem tenaga 1-fasA yang

banyak digunakan terutama pada penggunaan untuk

peralatan rumah tangga seperti kipas angin,

lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya

karena motor induksi 1-fasA.

Keuntungan penggunaan motor induksi:

1. Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama

bila rotor dengan motor sangkar.

2. Harganya relative murah dan kehandalannya

tinggi.

31

3. Effesiensi relatif tinggi pada keadaan

normal, tidak ada sikat sehingga rugi gesekan

kecil.

4. Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan

motor hampir tidak diperlukan.

Kerugian penggunaan motor induksi:

1. Kecepatan tidak mudah dikontrol.

2. Power faktor rendah pada beban ringan.

3. Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus

nominal.

b. motor sinkron

Gede (2013) mengemukakan bahwa Synchronous

Motor atau motor sinkron atau motor serempak

didefinisikan sebagai motor yang memiliki output

kecepatan putaran motornya yg sinkron/sebanding

(tanpa slip) dengan frekuensi listrik yg masuk ke

statornya. Karakteristik dari motor ini adalah

putarannya konstan meskipun beban motor berubah-

ubah.Motor akan melepaskan kondisi sinkronnya

32

apabila beban yang ditanggung terlalau besar

(Torsi Pull-out). Kurangan motor sinkron adalah

ketidakmampuannya melakukan start awal. Hal ini

dikarenakan motor sinkron tidak memiliki torsi

start awal. Oleh karena itu, motor sinkron

memerlukan beberapa alat bantu untuk membantu

proses start awal sehingga masuk didalam kondisi

sinkron. Berbeda dengan motor induksi dimana

rotor memiliki slip terhadap stator. Kecepatan

rotor terlambat dari perputaran fluks stator

supaya arus induksi terjadi pada rotor. Jika

induksi rotor motor tersebut itu bertujuan untuk

mencapai kecepatan sinkron, maka tidak ada garis

gaya yang memotong melalui rotor, sehingga tidak

ada arus yang akan diinduksikan ke rotor dan

tidak ada torsi yang akan ditimbulkan. Setelah

kecepatan motor sinkron mendekati/mencapai

kecepatan sinkron, barulah kemudian eksitasi

dimasukan.

33

Selain digunakan sebagi motor penggerak, motor

sinkron sering pula dipergunakan sebagai

perbaikan faktor daya; yaitu dengan jalan memberi

penguatan lebih pada motor tersebut.

1). Konstruksi motor sinkron

Motor sinkron terdiri dari dua bagian penting

yaitu:

a) Rotor, yaitu bagian dari motor sinkron

yang berputar. Perbedaan utama antara motor

sinkron dan motor induksi adalah bahwa rotor

motor sinkron berjalan pada kecepatan putar

yang sama dengan perputaran medan magnet.

Hal ini menyebabkan medan magnet rotor tidak

lagi terinduksi. Rotor pada motor sinkron

memiliki magnet permanen atau arus DC

excited, yang dipaksa untuk mengunci pada

posisi tertentu bila di hadapkan pada medan

magnet lainnya. Tipe rotor pada motor

sinkron terbagi menjadi 2, yaitu salient

34

pole (menonjol) dan non-salient pole (tidak

menonjol). (Gede, 2013).

b) Stator, yaitu bagian dari motor sinkron yang

diam. Stator pada motor sinkron menghasilkan

medan magnet berputar yang sebanding dengan

frekuensi listrik yang dimasuk ke stator.

Medan magnet di stator ini berputar pada

kecepatan sinkron yang besarnya sebesar Ns =

120F/P

Dimana: NS= Kecepatan sinkron , F=

Frekuensi, P= Jumlah kutub

Gambar 13. Bagian Motor Sinkron

2). Prinsip Kerja Motor Sinkron

35

Bila field winding dihubungkan dengan

sumber tegangan tiga fasa maka akan mengalir

arus tiga fasa pada kumparan. Arus tiga fasa

pada field winding ini menghasilkan medan putar

homogen (Bs). Seperti yang telah dikatakan

sebelumnya, motor sinkron berbeda dengan motor

induksi, yaitu 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 berikut :

T = k .Br .Bnet sin δ

36

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 = 90. 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.

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), maka baru

stator akan menarik arus magnetisasi dari jala-

jala, sehingga motor bekerja pada faktor daya

37

terbelakang (lagging). Sebaliknya bila arus

pada medan rotor berlebih (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). (Gede, 2013).

3). Rangkaian 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 dibalik.

38

Gambar 14. Rangkaian motor sinkron

Dari rangkaian elektrik motor sikron

diatas, persamaan tegangan rangkaian ekivalen

motor sinkron adalah sebagai berikut :

Vθ= Ea + Ia.Ra + j.Ia.XS

Ea = Vθ- Ia.Ra – j.Ia.XS

Berikut ini adalah gambaran fasor motor sinkron :

39

Gambar 15. Diagram Fasor Motor Sinkron

Dimana:

40

4). Pengaplikasian Motor Sinkron

Motor Sinkron biasa digunakan dalam kehidupan

sehari-hari dan juga industry seperti pada

generator, conveyor, mesin penggilingan, mesin

penghancur, kompresor, kompa-kompa sentrifugal.

Keuntungan penggunaan motor sinkron:

1. Daya motor sinkron lebih baik sehingga

efisiensi energi sangat besar.

2. Putaran tidak berkurang meskipun beban

bertambah.

3. Bila terjadi overload, motor akan langsung

berhenti sehingga akan lebih aman.

4. Dapat memperbaiki faktor daya.

5. Dapat beroperasi pada penyetelan arus penguat

medan.

Kerugian penggunaan motor sinkron:

1. Motor sinkron lebih mahal dari motor induksi.

2. Tidak mampu menstart sendiri.

3. Tidak praktis bila digunakan sebagai pemutar.

41

B. MOTOR DC

Hanief (2013) mengemukakan bahwa Motor DC

merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah

sebagai sumber tenaganya. Dengan memberikan beda

tegangan pada kedua terminal tersebut, motor akan

berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari

tegangan tersebut dibalik maka arah putaran motor akan

terbalik pula. Sebuah motor DC terdiri dari komponen

statis atau disebut stator dan komponen yang berputar

pada sumbunya yang disebut rotor. Berdasarkan tipe

mesinnya, baik stator maupun rotor mengandung konduktor

untuk mengalirkan arus listrik yang berbentuk lilitan.

Biasanya stator dan rotor dibuat dari besi untuk

meperkuat medan magnet.

1. Pengertian

Menurut Fahmizal (2012) Motor DC adalah piranti

elektronik yang mengubah energi listrik menjadi energi

mekanik berupa gerak rotasi. Pada motor DC terdapat

jangkar dengan satu atau lebih kumparan terpisah. Tiap

42

kumparan berujung pada cincin belah (komutator). Dengan

adanya insulator antara komutator, cincin belah dapat

berperan sebagai saklar kutub ganda (double pole,

double throw switch). Motor DC bekerja berdasarkan

prinsip gaya Lorentz, yang menyatakan ketika sebuah

konduktor beraliran arus diletakkan dalam medan magnet,

maka sebuah gaya (yang dikenal dengan gaya Lorentz)

akan tercipta secara ortogonal diantara arah medan

magnet dan arah aliran arus. Mekanisme ini

diperlihatkan pada Gambar berikut ini:

Gambar 16. Mekanisme kerja motor DC

2. Konstruksi Motor DC

Menurut Marwan (2007) Belitan motor ini terdiri

dari:

43

1. Belitan jangkar

2. Belitan kutub bantu

3. Belitan Eksitansi/Belitan Medan

Sjatry (2013) Mengemukakan bahwa ada tiga

komponen penting dalam motor DC yaitu:

a. 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 menggerakkan bearing pada

ruang di antara kutub medan. Motor DC sederhana

memiliki dua kutub medan, yaitu kutub utara dan

kutub selatan. Garis magnetik energi membesar

melintasi bukaan di antara kutub – kutub dari utara

menuju selatan. Untuk motor yang lebih besar atau

lebih kompleks, terdapat satu atau lebih

elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari

sumber daya luar sebagai penyedia struktur medan.

b. Rotor

44

Bila arus masuk menuju kumparan jangkar, maka

arus ini akan menjadi elektromagnet. Rotor yang

berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak

untuk menggerakkan beban. Untuk motor DC yang

kecil, rotor berputar dalam medan magnet yang

dibentuk oleh kutub – kutub, sampai kutub utara dan

kutub selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini

terjadi, arus berbalik untuk merubah kutub – kutub

utara dan selatan rotor.

c. Komutator

Komponen ini terdapat pada motor DC dan

berfungsi untuk membalikkan arah arus listrik dalam

kumparan jangkar. Komutator juga membantu dalam

transmisi arus antara kumparan jangkar dan saluran

daya.

1) Prinsip Kerja Motor DC

Menurut Sjatry (2013) Sebuah motor DC magnet

permanen biasanya tersusun atas magnet permanen,

kumparan jangkar, dan sikat (brush). Medan

magnet yang besarnya konstan dihasilkan oleh

45

magnet permanen, sedangkan komutator dan sikat

berfungsi untuk menyalurkan arus listrik dari

sumber di luar motor ke dalam kumparan jangkar.

Letak sikat di sepanjang sumbu netral dari

komutator, yaitu sumbu dimana medan listrik yang

dihasilkan bernilai nol. Hal ini dimaksudkan

agar pada proses perpindahan dari sikat ke

komutator tidak terjadi percikan api.

Gambar 17. Prinsip kerja motor DC

46

Medan stator memproduksi fluks Φ dari kutub

U ke kutub S. Sikat – arang menyentuh terminal

kumparan rotor di bawah kutub. Bila sikat –

arang dihubungkan pada satu sumber arus serah di

luar dengan tegangan V, maka satu arus I masuk

ke terminal kumparan rotor di bawah kutub Udan

keluar dari terminal di bawah kutub S. Dengan

adanya fluks stator dan arus rotor akan

menghasilkan satu gaya F bekerja pada kumparan

yang dikenal dengan gaya Lorentz. Arah

Fmenghasilkan torsi yang memutar rotor ke arah

yang berlawanan dengan jarum jam. Kumparan yang

membawa arus bergerak menjauhi sikat – arang dan

dilepas dari sumber suplai luar. Kumparan

berikutnya bergerak di bawah sikat – arang dan

membawa arus I. Dengan demikian, gaya F terus

menerus diproduksi sehingga rotor berputar

secara kontinyu. (Sjatry, 2013).

4. Klasifikasi Motor DC

47

a. Motor DC Shunt/Parallel

Kumparan medan sama seperti pada penguat

terpisah, tetapi kumparan medan terhubung secara

paralel dengan rangkaian rotor. Satu sumber yang

sama digunakan untuk menyuplai kumparan medan dan

rotor. Oleh karena itu, total arus dalam jalur

merupakan penjumlahan arus medan dan arus jangkar.

Kecepatan motor DC jenis ini pada prakteknya

konstan, tidak tergantung pada beban (hingga torsi

tertentu setelah kecepatannya berkurang). Oleh

karena itu, motor DC jenis ini cocok untuk

penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah,

seperti peralatan mesin. (Sjatry, 2013).

Gambar 18. Motor DC Shunt/Parallel

48

Menurut Hanief (2013) Karakter kecepatan motor DC

tipe shunt adalah :

1. Kecepatan pada prakteknya konstan tidak

tergantung pada beban (hingga torque tertentu

setelah kecepatannya berkurang) dan oleh karena

itu cocok untuk penggunaan komersial dengan

beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.

2. Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara

memasang tahanan dalam susunan seri dengan

dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan

memasang tahanan pada arus medan (kecepatan

bertambah).

b. Motor Seri

Kumparan medan dihubungkan secara seri dengan

kumparan jangkar. Oleh karena itu, arus medan sama

dengan arus jangkar. Pada saat kondisi awal, arus

starting pada motor DC jenis ini akan sangat besar.

Untuk itu, pada saat menjalankan motor harus

disertai beban sebab apabila tanpa beban motor akan

49

mempercepat tanpa terkendali. Kumparan medan terbuat

dari sejumlah kecil kumparan dengan penampang kawat

yang besar. Tipe demikian dirancang untuk

mengalirkan arus besar dan terhubung seri/deret

dengan kumparan rotor. Motor DC jenis ini cocok

untuk penggunaan yang memerlukan torsi penyalaan

awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat

hoist. (Sjatry, 2013).

Gambar 19. Skematik Motor DC Seri

Menurut Hanief (2013) Karakter kecepatan motor DC

tipe seri adalah :

1. Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.

50

2. Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa

ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa

terkendali.

c. Motor DC kompon/kombinasi

Konfigurasi motor DC tipe ini menggunakan

gabungan dari kumparan seri danshunt/paralel. Pada

motor DC jenis ini, kumparan medan dihubungkan secara

paralel dan seri dengan kumparan jangkar. Dengan

demikian, motor DC jenis ini akan memiliki torsi

penyalaan awal yang baik dan kecepatan yang stabil.

Semakin tinggi persentase penggabungan, yaitu

persentase kumparan medan yang dihubungkan secara

seri, maka semakin tinggi pula torsi penyalaan awal

yang dapat ditangani. (Sjatry, 2013).

Menurut Hanief (2013) karakter dari motor DC

tipe kompon/gabungan ini adalah, makin tinggi

persentase penggabungan (yakni persentase gulungan

medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi

51

pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh

motor ini.

5. Pengaplikasian Motor DC

Motor DC bisa digunakan di bidang robotika,

misalnya sebagai roda line tracer, sebagai aktuator

lengan robot. Di bidang persenjataan misalnya aktuator

meriam otomatis, dan lain sebagainya.

DAFTAR PUSTAKA

Apriyahanda, Onny. (2011). Generator dan Sistem Eksitasi,

(Online), (http://artikel-teknologi.com/generator-

dan-sistem-eksitasi/, diakses 11 Agustus 2014).

Azhary, Arie. (2011). Prinsip Kerja Motor Induksi, (Online),

(http://ariestarlight.blogspot.com/2011/04/perinsip-

kerja-motor-induksi.html, diakses 6 Agustus 2014).

Fahmizal. (2012). Driver Motor DC pada Robot Beroda dengan

Konfigurasi H-BRIDGE MOSFET, (Online),

(http://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/motor-dc-

adalah/, diakses 11 Agustus 2014).

52

Gede, I.G.A. (2013). Motor AC, (Online),

(http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211083igustiagung

gede/2013/04/29/motor-ac/, diakses 6 Agustus 2014).

Genx, Dicky. (2009). Definisi Mesin Listrik. (Online).

(http://nationalinks.blogspot.com/2009/07/definisi-mesin-listrik.html,

diakses 11 Agustus 2014).

Hage. (2009). Generator DC, (Online), (http://dunia-

listrik.blogspot.com/2009/01/generator-dc.html ,

diakses 11 Agustus 2014).

Hammers, H. (2013). Pengertian Tentang Mesin-Mesin Listrik.

(Online).

(http://handihammers.blogspot.com/2013/05/pengertian

-tentang-mesin-mesin-listrik.html, diakses 11

Agustus 2014).

Hanief, I.R. (2013). Pengantar Elektronika. Motor DC, (Online),

(http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211021isnarasyadh

anief/2013/04/27/motor-dc/, diakses 11 Agustus

2014).

53

Marlina, Dini. (2013). Generator AC, (Online),

(http://dinnim.blogspot.com/2013/02/generator-

ac.html, diakses 11 Agustus 2014).

Marwan, (2007). Praktikum Mesin Listrik. Makassar: Fakultas

Teknik Politeknik Negeri Ujung Pandang.

Nugraha, Ican. (2011). Prinsip Kerja Motor induksi, (Online),

(http://icannugraha.blogspot.com/2011/08/prinsip-

kerja-motor-induksi.html, diakses 6 Agustus 2014).

Prasetya, H.D. (2011). Generator Ac dan Dc, (Online),

(http://www.scribd.com/doc/46409085/generator-AC-DC,

diakses 11 Agustus 2014).

Pratama, M.A. (2013). Motor AC, (Online),

(http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211033muhammadarf

anpratama/2013/04/29/motor-ac/, diakses 11 Agustus

2014).

--------------------------. (2013). Motor DC, (Online),

(http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211033muhammadarf

anpratama/2013/04/29/motor-dc/, diakses 11 Agustus

2014).

Putra, A.S. (2013). Generator Ac And Dc, Miscellaneous Subjects, &

Preparing Equipments Specifications, (Online),

54

(http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211029ardinathasa

njayaputra/, diakses 11 Agustus 2014).

Sabrina. (2013). Sabrina News. Prinsip Kerja generator DC,

(Online),

(http://sabrina-brinasworld.blogspot.com/2013/11/pri

nsip-kerja-generator-dc.html, diakses 11 Agustus

2014).

Sjatry, M.R. (2013). Pengenalan Tentang Motor DC, (Online),

(http://rasydinsjatry.blogspot.com/2013/04/pengenala

n-tentang-motor-dc.html, diakses 11 Agustus 2014).

55

SOAL

A. Asinkron

1. Motor induksi rotor lilit 60cps, 6 kutub, 3 phase,

220 v. lilit stator disambung segitiga, sedangkan

rotor dalam bintang. Jumlah lilitan rotor setengah

jumlah lilitan stator. Pada kecepatan 1110 rpm,

Hitunglah:

a. Slip (s)

b. GGL induksi pada saat rotor ditahan (EBR)

per-phase

c. GGL induksi rotor saat motor berputar dengan

slip s (E2S)

d. Tegangan antar terminal rotor

56

e. Frekuensi rotor

2. Suatu motor induksi tiga phase berkutub 6,50 Hz,

tahanan lilitan rotor per phase 0,4 ohm, reaktansi

lilitan rotor per phase pada saat diam (s=1) 12 ohm,

tegangan rotornya 80 volt. Putaran motor 935 rpm.

Tentukan:

a. Slip motor

b. Arus rotor saat n = 935 rpm

c. Torsi motor

3. Suatu motor 3 phase, masing-masing lilitan phase

mempunyai tahanan murni 50 ohm dan induktansi ( L )

0,3 Henry, sumbernya adalah 415 V, 50 cps.

Hitunglah daya total motor dalam keadaan tanpa beban

jika motor dalam sambungan bintang dan segitiga.

4. Sebuah motor asinkron tiga phase hubungan segitiga

jika dihubungkan langsung pada sumber 415 volt, 50

Hz mengambil arus start 120 A pada masing-masing

phase nya. Tentukan:

a. Arus line untuk starting langsung disambung

sumber.

57

b. Arus line dan arus phase pada saat start

menggunakan:

- Saklar Y – Δ

- Autotransformator dengan pengaturan saat

start 70%

5. Sebuah motor 3 phase, 50 kVA, terhubung Y

Cosø=0,8. Tegangan Sumber Line- Line 660 Volt.

Tentukan:

a. Berapa Tegangan Phasa(Vp)

b. Berapa Arus Line (IL)

c. Berapa Arus Phasa (Ip)

d. Daya Aktif`dan Daya Reaktif Motor

B. Sinkron

1. Suatu generator serempak 3 fase, 16 kutub mempunyai

144 alur dan tiap alur berisi 4 penghantar.

Kecepatan 375 rpm, fluks 5 x 102 Wb perkutub. Gawang

lilitan 150 derajat listrik. Hitung EMF perfase dan

antara fase!

58

2. Motor Sinkron 3Φ, 12 kutub, mempunyai impedansi

jangkar 100 ohm, dan reaktansi 0.5 ohm/fasa.

Beroperasi dengan 2000 V, 3Φ, 25 Hz. Bila pengaturan

80% dari kemampuan, hitunglah daya maksimum dan

torsi dalam Nm sebelum mesin keluar dari

sinkronisasi!

3. Generator Sinkron memiliki data name plate 3 phasa,

2 HP, 50 Hz, 400 V. 4 kutub. Hitungkan putaran

Sinkron permenit!

4. Suatu generator serempak 3Φ, 1200 KVA, 6600 volt,

hubungan bintang dengan

resistans jangkar 0,4 ohm perfase dan reaktans

sinkronsnya 5,8 ohm perfase, hitung EMF antara fase

yang harus dibangkitkan!

5. Generator 2KW, 220V/50Hz digerakkan dengan mesin

diesel, listrik yang dihasilkan dipakai untuk

memberikan listrik untuk sejumlah rumah. Bagaimana

cara agar generator tersebut menghasilkan tegangan

220V dan frekuensinya 50Hz.

59

C. Pertanyaan tampungan

1. Apa perbedaan antara motor asinkron dan motor

sinkron?

Beberapa perbedaan antara motor

sinkron dan asinkron :

1.Untuk Frekuensi tertentu motor sinkron bekerja 

pada putaran konstan ----- ns = f  x 60 / P

sedangkan motor asinkron bila dibebani n

( putaran ) akan turun.

2.Motor sinkron dapat bekerja pada power factor

yang berbeda, lagging atau leading. Motor

asinkron selalu lagging

3.Motor sinkron kopel startnya kecil.

4.Pada motor sinkron perubahan tegangan input tidak

terlalu mempengaruhi torsi, tidak seperti motor

asinkron.

5.Motor sinkron memerlukan eksitasi DC.

6.Motor sinkron lebih kompleks dan lebih mahal

dibanding motor asinkron.

60

61