KARAKTERISTIK ALTERNATOR DAN MOTOR SINKRONTeknik Tenaga Listrik

PERCOBAAN O4Tanggal Percobaan : 26 Mei 2015

Disusun oleh :Dicky Rahmaddani( 07 / 3.31.13.0.08 )LT-2A

PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI SEMARANG2015KARAKTERISTIK ALTERNATOR DAN MOTOR SINKRON

I. PENDAHULUANGenerator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik. Energi mekanis diberikan oleh penggerak mulanya sedangkan energi listrik akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Dengan ditemukannya Generator sinkron atau alternator, telah memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan energi yang terkandung pada batu bara, air, minyak, gas uranium ke dalam bentuk yang bermanfaat dan mudah digunakan yaitu listrik dalam rumah tangga dan industri. Konstruksi umum dari suatu Generator sinkron terdiri dari penggerak mula, rotor atau bagian yang berputar, stator atau bagian yang diam, dan celah udara antara stator dan rotor. Konstruksi rotor sendiri terdiri atas Rotor Silinder dan Rotor Kutub Sepatu yang masing-masingnya memiliki fungsi yang berbeda. Disamping itu juga perlu rangkaian eksitasi sebagai penghasil tegangan induksi pada terminal jangkar. Untuk Generator sinkron yang besar, rangkaian jangkar diletakkan pada Stator untuk menghindari timbulnya bunga api jika rangkaian jangkar pada bagian rotor. Untuk Rangkaian Eksitasi dapat dibagi atas dua yaitu eksitasi dengan sikat dan tanpa sikat. Alternator tiga fasa dituntut untuk bekerja stabil (tegangan dan frekuensi yang dihasilkan tetap stabil). Ketidakstabilan kedua hal tersebut sangat berpengaruh terhadap beban terutama beban-beban elektronik. Selain itu kestabilan kedua hal tersebut sangat penting jika sebuah alternator diparalelkan dengan alternator yang lain untuk melayani beban yang makin besar. Seiring makin besarnya jumlah beban yang harus dilayani oleh sebuah Alternator, ditambah dengan makin beragamnya beban yang ada, tentu memerlukan pengaturan kerja dari sebuah Alternator. Fluktuasi yang terjadi pada beban antara lain impedansi beban. Dimana jumlah beban yang harus dilayani tidak sama untuk setiap saat, ini berpengaruh pada impedansi total beban. Impedansi beban mempengaruhi faktor daya dari beban, yang kemudian hal itu berpengaruh pada Arus Beban. Karena tegangan dituntut untuk tetap stabil, maka fluktuasi Arus Beban akan mengakibatkan ketidakstabilan tegangan. Untuk itulah perlu dilakukan perubahan pada Arus Eksitasi. Dalam Tugas akhir ini penulis akan membandingkan hasil percobaan sebelum dan sesudah pengendalian generator sinkron. Pengendalian ini dilakukan dengan cara mengatur arus eksitasinya sehingga tegangan terminal generator dapat di jaga konstan walaupun arus dan faktor daya beban berubah-ubah. Untuk memperoleh data tugas akhir ini penulis akan melakukan percobaan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU. Dari data yang diperoleh dan perhitungan menggunakan rumus maka hubungan antara tegangan terminal (Vt), arus medan (If), arus beban (Ia), faktor daya dan regulasi tegangan dapat di tentukan. Untuk membantu dalam perhitungan penulis menggunakan bantuan komputer dalam melakukan pengolahan data.

II. TUJUANTujuan dari percobaan alternator and synchronous motor ini adalah untuk :1. Dapat mengoperasikan secara paralel menggunakan synchronouscope.2. Dapat mengetahui respon dari alternator pada frekuensi dan tegengan konstan pada sistem.3. Mencatat V-kurva (kurva Mordey) dari motor sinkron.

III. DASAR TEORIHampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan.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:f = frekuensi listrik (Hz)nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)p = jumlah kutub magnetOleh 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 tetap dengan 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.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.fluksyang mana:c = konstanta mesinn = putaran sinkronf = fluks yang dihasilkan oleh IfDalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If).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).Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan pada: Resistansi jangkar Ra Reaktansi bocor jangkar X Reaksi Jangkar Xaa) Resistansi JangkarResistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.b) Reaktansi Bocor JangkarSaat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor.c) Reaksi JangkarAdanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (A ) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(F), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan.Persamaan tegangan pada generator adalah:Ea = V + I.Ra + j I.XsXs = Xm + Xayang mana:Ea = tegangan induksi pada jangkarV = tegangan terminal outputRa = resistansi jangkarXs = reaktansi sinkronMekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum sama yaitu: 1. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.2. 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. 3. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan. 4. 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: 1. 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. 2. 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). 3. 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.Komponen utama motor sinkron adalah :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 :Ns = 120 . f / P Dimana: f = frekwensi dari pasokan frekwensi P= jumlah kutub Interaksi antara medan putar stator (Bs) dan medan rotor (Br) yang membangkitkan torka seperti terlihat dalam persamaan berikut:T = Bsx Bs(sin ) disebut sudut beban karena besarnya tergantung pembebanan. Pada saat beban nol nilai =0. Jika dibebani, medan rotor tertinggal dari rotor sebesar , kemudian berputar sama lagi. Beban maksimum tercapai pada =90o. Jika beban dinaikkan terus melebihi batas itu, maka motor akan kehilangan sinkronisasi dan akhirnya akan berhenti.Pada Motor sinkron 3 fasa, mengalir arus seimbang pada tiap fasa dengan beda sudut fasa 120oia = Im sin tib = Im sin (t-120o)ic = Im sin (t-240o)Tiap arus fasa membangkitkan ggm F yang merupakan fungsi sudut ruang sepertiia Fa.cos . Dengan Fa=Fm. sin tMaka ggm F tiap fasa yang dibangkitkan :Fa = Fm sin t.cos Fb = Fm sin (t-120o).cos (-120o)Fc = Fm sin (t-240o) .cos (-240o)Resultan ketiga ggm, Fr=Fa+ Fb +FcKarakteristik Motor AC sinkron

Gambar diatas memperlihatkan bahwa Torka adalah fungsi sin , dengan adalah sudut daya. Pada motor sinkron nilai negatif dan nilainya positif pada generator sinkron. Torka maksimum dicapai pada = +/- 90o. Jika melebihi batas itu, maka motor atau generator akan kehilangan stabilitas dan sinkronisasi dan pada akhirnya akan berhenti.Untuk membangkitkan fuksi dibutuhkan daya reaktif yang bersifat induktif. Pada motor sinkron, ggm dibangkitkan arus medan (DC) pada belitan rotor. Jika arus medan ini cukup, maka motor tidak membutuhkan suplai energi reaktif dari sisi stator yang bersumber dari jaringan listrik. Sehingga motor bekerja dengan faktor daya = 1.Jika penguatan arus medan kurang, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat induktif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya(pf) terbelakang (lagging). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat induktif.Kebalikannya jika kelebihan penguatan arus medan, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat kapasitif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya (pf) mendahului (leading). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat kapasitif.

IV. ALAT DAN BAHANa. DL 1013T2 DC filtered power supply1 buahb. DL 1023PS Shunt DC drive motor 1 buahc. DL 1026A Three phase alternator 1 buahd. DL 2025DT Speed Indicator 1 buahe. DL 2031 Optical electronic generator 1 buahf. DL 2108TAL Three phase power supply unit 1 buahg. DL 2108T01 Excitation voltage controller 1 buahh. DL 2108T02 Power circuit breaker 1 buahi. DL 2109T1A Moving-iron ammeter (1000mA) 2 buahj. DL 2109T2A5 Moving-iron ammeter (2,5 A) 2 buahk. DL 2109T1PV Moving-iron voltmeter (600 V) 1 buahl. DL 2109T1T Phase-sequence indicator 1 buahm. DL 2109T17/2 Double voltmeter (250-500 V) 1 buahn. DL 2109T26 Power meter 1 buaho. DL2109T27 Power factor meter 1 buahp. DL 2109T32 Synchronoscope 1 buahq. Kabel Penguhubung ( 2 meter ) 20 buahr. Frekuensi meter analog 220 V 2 buahs. Saklar ELCB 3 phase 2 buaht. Kabel Hubung Pendek 10 buahu. Multimeter Analog 1 buahv. Amperemeter Panel 2 buahV. GAMBAR RANGKAIANBerikut adalah gambar rangkaian pada percobaan ini :

VI. LANGKAH KERJA1. Siapkan semua alat yang akan digunakan2. Rangkan alat dan bahan sesuai gambar rangkaian yang telah disediakan.3. Pastikan rangkain telah dirangkai sesuai dengan gambar dan siap dinyalakan untuk disinkronkan4. Saat proses sinkronisasi tegangan PLN dicek sampai 380 V minimal 350 antar line nya, Cek frekuensi ( 50 Hz ) dengan toleransi 48 Hz5. Jalankan Motor DC untuk memutarkan generator sinkron6. Apabila generator sinkron menghasilkan tegangan eksitasi, tegangan eksitasi dinaikan sampai 380 disamakan.7. Kemudian tegangan PLN dimasukan, saat dimasukan maka akan terlihat unit sinkronisasi kekanan/kekiri ( kekiri semakin kencang ), Cek frekuensi yang dihasilkan generator ( 50 ), Cek frekuensi yang dihasilkan PLN ( 50 ), Cek sequence dari generator dan menambahkan kecepatan motor dan mengurangi sampai putaran pelan.8. Tunggu sampai nyala LED menjadi hijau.9. Tekan tombol generator PLN untuk mensinkronkan ( Geenerator sudah sinkron ). Catat dan analisis.

VII. DATA PERCOBAANDi bawah ini adalah hasil rekam data dari percobaan ini :a. Motor sinkron no loadTegangan Generator DC200 V

Eksitasi Motor Sinkron55%

I Motor Sinkron0,5 A

frekuensi50 Hz

Rpm Motor Sinkron3000

b. Motor sinkron loadI Motor Sinkron No Load (A)Beban(ohm)I Motor Sinkron Load (A)I Eks Motor Sinkron (A)V Gen DC (V)Rpm

0,5R1(340)0,250,51963000

0,5R2(230)0,750,751953000

VIII. PEMBAHASANSetelah merakit sesuai dengan gambar rangkaian, pertama cek urutan fase konstan-tegangan konstan frekuensi sistem dan alternator menggunakan indikator fase-urutanPemeriksaan ini tidak diperlukan dalam pembangkit listrik yang nyata, karena koneksi dari lilitan tiga fase dan arah rotasi alternator diperiksa selama start-up dan tidak kemudian berubah.Ketika kita sudah yakin dari urutan fase sambungan paralel alternator dilakukan dengan menggunakan synchronoscope tersebut. Mulai dari 0 V meningkatkan nilai dc tegangan suplai untuk memulai set motor alternator dan menyesuaikan tegangan ini hingga kecepatan nominal alternator tercapai.Pasokan tegangan pada alternator dengan meningkatkan arus exciter hingga 40% untuk menyesuaikan tegangan stator dengan yang ada pada induk, voltmeter ganda digunakan untuk menunjukkan ini.Kemudian setelah itu kita bisa melihat apakah alternator telah sinkron dengan sistem pada jaringan PLN atau belum melalui synchronoscope. ini menunjukkan apakah set motor alternator berjalan terlalu cepat atau terlalu rendah. Dengan frekuensi meter ganda kita secara bersamaan dapat mengamati bagaimana alternator dan frekuensi listrik mendekati satu sama lain.Pemutus daya dinyalakan saat hijau tengah atas pada synchronoscope. Ini adalah saat dimana alternator telah siap untuk disinkronkan denagan sistem pada jaringan PLN. Sekarang alternator dihubungkan secara paralel ke listrik.Sesuaikan dengan seksama tegangan suplai motor DC hingga stator saat ini mencapai nilai minimum dan kemudian membaca indikasi amperemeter di exciter dan stator sirkuit alternator, meteran listrik dan faktor meteran listrik. Perlahan-lahan meningkatkan torsi meningkat motor dc tegangan suplai. Arus stator dan peningkatan output daya aktif dan alternator beroperasi sebagai generator daya aktif. Mengurangi motor dc tegangan suplai sampai saat ini meningkat stator lagi setelah menyeberang melalui minimum: daya aktif membalikkan tanda dan alternator beroperasi sebagai motor sinkron. Perlahan-lahan meningkat lagi drive torsi hati-hati mengatur motor dc tegangan suplai sampai pembacaan daya aktif positif dan arus stator mencapai lagi minimum. Meningkatkan exciter arus: meningkat saat stator dan faktor meteran listrik menunjukkan cos induktif mendekati nilai nol. Atur ulang alternator ke tanpa beban operasi lagi saat stator minimum.Matikan dc disaring catu daya ke de-energi motor dc dan mengatur tegangan dc ke nol. Alternator sekarang beroperasi sebagai motor sinkron sedangkan motor dc akan diatur untuk beroperasi sebagai dc pembangkit. Lepaskan hanya dc lead menghubungkan angker di disaring catu daya dc dan menghubungkan mereka ke beban resistif melalui ammeter. Individu resistor dihubungkan secara paralel (lihat koneksi untuk operasi pembangkit dc).Pertama V-kurva dicatat pada generator tingkat daya output dc P = 0, mengukur arus stator sesuai dengan nilai saat ini exciter berikut dan masukkan nilai yang terukur dalam tabel. Berdasarkan data percobaan diatas dapat dibuat grafik sebagai berikut

Dari grafik di atas dapat dikrtahui bahwa peningkatan pada arus eksitasi motor juga akan meningkatkan besarnya arus pada motor sinkron baik pada saat no load maupun load.

Dari grafik di atas djuga dapat diketahui bahwa besarnya tegangan pada generator juga berbanding lurus dengan besarnya tegangan pada generator tersebut. Semakin kecil beban, semakin kecil pula tegangan yang dihasilkan dari generator.

IX. KESIMPULANDari pembahasan diatas dapat disimpulkan bahwa :1. Prosedur sinkron pada generator sinkron menjadi motor sinkron dan motor DC menjadi mesin secara manual adalah sebagi berikut :a. Naikkan putaran mesin dengan mengontrol motor DC hingga putarannya sama mencapai putaran nominal.b. Periksa sistem eksitasi, kemudian masukan pemutus tenaga penguat medan (field breaker).c. Naikan arus eksitasi, periksa tegangan generator bila tegangan generator mencapai normal, dan samakan besarnya tegangan dengan tegangan sistem.d. Cek urutan fasanya menggunakan check squense.e. Atur rpm untuk mengatur frekuensi generator sama dengan frekuensi sistem, sampai lampu indikator berkedip sangat perlahan.f. Pada saat lampu indikator telah menyala pada titik hijau, tekan tombol pemutus tenaga generator sehingga CB masuk pada saat lampu indikator dalam keadaan tepat menyala hijau.g. Kemudian matikan sumber listrik prime mover, maka generator sinkron tadi berubah menjadi motor sinkron dan motor DC sebagai penggerak dari alternator akan menjadi generator DC untuk menyuplai daya pada beban.2. Motor sinkron merupakan motor yang memiliki output kecepatan putaran motornya sebanding dengan frekuensi listrik yang masuk ke statornya.3. Karakteristik dari motor ini adalah putarannya konstan meskipun beban motor beruba-ubah dimana kecepatan motornya sesuai dengan persamaan Ns= (120*f)/p4. Pada pembebanan generator DC, kenaikan nilai beban akan diikuti kenikan nilai arus penguatan motor sinkron. Hal ini di tujukan agar motor sinkron akan mampu untuk mengikuti berapa besar pembebanan yang di berikan pada motor sinkron5. Untuk memberi beban pada motor sinkron harus di sesuaikan dari kekuatan motor sinkron tersebut serta menyesuaikakn arus penguatan agar motor sinkron mampu untuk diberi beban.6. Motor sinkron tidak dapat bekerja apabila kecepatan motornya sinkron dengan frekuensi dan kecepatan putarnya akan selalu tetap meskipun diberi beban.

X. Daftar Pustaka Politeknik UNDIP. 1984. Machine Laboratory Jurusan Teknik Listrik. Bandung:PEDC Bandung. De Lorenzo. Alternator and Paralel DL GTU101.1 for Electrical Power Engineering. Italy. Dewangga, A. (2011). Generator Sinkron. [Online]. Tersedia : http://anggadewangga.wordpress.com/2011/03/28/generator-sinkron/. Html [18 Mei 2013]. http://dunialistrik.fr.yuku.com/topic/776/perbedaan-motor-sinkron-dan-asinkron/. Html [3 Juni 2013]. http://dunia-listrik.blogspot.com/2008/12/perbedaan-motor-sinkron-dan-asinkron/. Html [3 Juni 2013]. Html [3 Juni 2013].