MESIN-MESIN AC LANJUT1.1 MOTOR SEREMPAKPengertian Motor SinkronMotor Sinkron adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah energy listrik menjadi energi mekanik.

Prinsip Kerja Motor Sinkron

Gambar 1.1 Terjadinya torsi pada motor sinkron (a) tanpa beban (b) kondisiberbeban (c) kurva karakteristik torsiGambar 1.1 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 (). Semakin besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi yang dihasilkan akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.T = k .BR .Bnet sin (2.1)Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu kumparan medan ( = 0). Setiap penambahan beban membuat medan motor tertinggal dari medan stator, berbentuk sudut kopel (); untuk kemudian berputar dengan kecepatan yang sama lagi. Beban maksimum tercapai ketika = 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)

Pengaruh perubahan beban pada motor sinkron

Gambar 1.2 Pengaruh perubahan beban pada motor sinkronGambar 1.2 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 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 yang lebih besar. Torsi maksimum motor terjadi ketika = 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.

Penggunaan Motor AC sinkron

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.

1.2 GENERATOR INDUKSIGenerator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator induksi sangat berguna pada aplikasi-aplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin angin, atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana (Wikipedia). Untuk mengoperasikannya, generator induksi harus dieksitasi menggunakan tegangan yang leading. Ini biasanya dilakukan dengan menghubungkan generator kepada sistem tenaga eksisting. Pada generator induksi yang beroperasi standalone, bank kapasitor harus digunakan untuk mensuplay daya reaktif. Daya reaktif yang diberikan harus sama atau lebih besar daripada daya reaktif yang diambil mesin ketika beroperasi sebagai motor. Tegangan terminal generator akan bertambah dengan pertambahan kapasitansi.Ada beberapa keterbatasan ketika mesin induksi beroperasi sebagai generator. Karena tidak adanya rangkaian medan yang terpisah, generator induksi tidak dapat menghasilkan daya reaktif. Dalam pengoperasiannya, generator induksi justru mengonsumsi daya reaktif sehingga sumber daya reaktif eksternal harus terhubung kepada generator sepanjang waktu untuk menjaga medan magnet statornya. Sumber daya reaktif eksternal ini juga harus mengontrol tegangan teriminal generator. Tanpa arus medan, generator induksi tidak dapat mengontrol tegangan keluarannya sendiri. Normalnya, tegangan generator dijaga oleh sistem tenaga dimana generator tersebut dihubungkan.Satu keuntungan besar dari generator induksi adalah kesederhanaannya. Sebuah generator induksi tidak memelukan rangkaian medan terpisah dan tidak harus diputar secara terus-menerus pada kecepatan tetap. Selama putaran mesin masih lebih tinggi daripada nsync dari sistem tenaga yang terhubung padanya, mesin akan tetap berfungsi sebagai generator. Semakin besar torka diberikan kepada porosnya (sampai nilai tertentu), maka akan semakin besar daya output yang dihasilkan.Ketika generator induksi pertama kali mulai berputar, magnet sisa pada rangkaian medannya menghasilkan tegangan yang kecil. Tegangan yang kecil itu menghasilkan aliran arus kapasitif, yang menyebabkan tegangan naik, kemudian lagi menaikkan arus kapasitif dan seterusnya sampai tegangan terbangkit penuh. Jika tidak ada fluks sisa yang terdapat pada rotor generator induksi, maka tegangan tidak akan bias dibangkitkan, sehingga generator harus dimagnetisasi terlebih dahulu dengan menjalankannya sebagai motor untuk beberapa saat.Karena sifat alami karakteristik torka-kecepatan mesin induksi, frekuensi generator induksi berubah-ubah dengan perubahan beban, tapi karena karakteristik torka-kecepatan sangat curam pada wilayah operasi normal, variasi frekuensi total biasanya dibatasi di bawah 5 persen. Harga variasi ini cukup dapat diterima pada banyak aplikasi generator isolated atau emergency.

Aplikasi Generator Induksi pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Penggunaan generator induksi pada system pembangkit tenaga angin dimana mesin atau kincir angin yang memutar generator tidak mengharuskan pada kecepatan sinkronnya. Dengan demikian, jika daya yang dibangkitkan tidak mensyaratkan frekwensi dan tegangan tetap maka generator dapat dioperasikan stand alone, atau terisolasi, terlepas dari saluran publik (Chan, 1993: 2-3). Jenis beban yang dapat dilayani oleh generator induksi ini diantaranya adalah mesin pompa air, kipas angin atau pemanas.

MESIN DC LANJUT2.1 MOTOR DC SHUNT Salah satu macam penguatan sendiri motor DC adalah motor DC penguat shunt, kata shunt sendiri berarti paralel dimana maksud dari paralel disini adalah pemasangan paralel antara kumparan jangkar pada rotor dengan kumparan medan pada strator. Motor shunt mempunyai kecapatan hampir konstan. Pada tegangan jepit konstan, motor ini mempunyai putaran yang hampir konstan walaupun terjadi perubahan beban.

Gambar 2.1 Rangkaian motor DC shuntPrinsip Kerja Motor DC Shunt Sebuah motor listrik adalah sebuah mesin yang merubah energi masukan listrik menjadi energi output mekanik. Motor listrik bekerja berdasarkan hukum Lorenz, bila suatu penhantar dialiri arus yang ditempatkan dalam suatu medan magnet maka akan timbul gaya sebesar:

Pada saat rotor berputar, maka kumparan jangkar juga akan ikut berputar sehingga akan memotong garis gaya magnet, maka pada penghantar tersebut akan diinduksika tegangan listrik (back EMF), yang besarnya adalah:

Tegangan sumber yang diterapkan pada kumparan jangkar digunakan untuk mengatasi GGL lawan dan untuk mengatasi drop tegangan karena adanya tahanan jangkar.

Gambar 2.2 GGL LawanSedangkan torsi yang dihasilkan motor adalah

2.2 MOTOR DC SERIMotor ini dipasang secara seri dengan kumparan armature. motor seri mempunyai putaran kecapatan yang tidak konstan, jika beban tinggi maka putaran akan lambat. dan sebaliknya. Namun, pada saat tidak terdapat beban motor ini akan cenderung menghasilkan kecepatan yang sangat tinggi. Tenaga putaran yang besar ini dibutuhkan pada elevator dan Electric Traction. Kecepatan ini juga dibutuhkan pada mesin jahit. Motor DC seri mampu menghasilkan torsi awal yang besar dan stabil untuk memindahkan beban yang amat berat. Motor DC disusun dengan topologi berikut:

Gambar 2.3 Rangkaian motor DC seri

Pengoperasian dari motor ini sangat mudah untuk dimengerti. Kita tahu, bahwa kumparan medan terkoneksi secara seri dengan kumparan armature. Hal ini berarti bahwa power akan teraplikasi pada salah satu ujung dari kumparan medan yang seri dan ujung lain dari kumparan armature yang terkoneksi dengan brush. Ketika voltage diberikan, arus mulai mengalir dari terminal power supply yang negative ke kumparan yang seri dan kumparan armature. Kumparan armature tidak berputar ketika tegangan pertama kali diberikan dan satu-satunya hambatan pada sirkuit berasal dari konduktor yang digunakan pada armature dan kumparan penguat medan. Kerena konduktor ini sangat besar, maka konduktor ini hanya akan memiliki hambatan yang kecil. Hal ini menyebabkan motor mengambil arus yang besar dari power supply. Ketika arus yang besar mulai mengalir ke kumparan penguat medan dan kumparan armature maka akan terbentuk medan magnetic yang cukup kuat. Karena arusnya amat besar, hal ini menyebabkan kumparan menjadi jenuh, yang akan memproduksi medan magnet yang amat kuat.

2.3 MOTOR DC KOMPON Motor kompon ini mempunyai sifat seperti motor seri dan shunt, tergantung lilitan mana yang kuat (kumparan seri atau shunt).Gambar 2.4 Rangkaian Motor kompon panjangGambar 2.5 Rangkaian Motor kompon pendek

Pada motor kompon mempunyai dua buah kumparan medan dihubungkan seri dan paralel dengan angker. Bila motor seri diberi penguat shunt tambahan seperti gambar 2.4 diatas disebut motor kompon shunt panjang. Bila motor shunt diberi tambahan penguat seri seperti gambar 2.5 diatas disebut motor kompon shunt pendek.Motor DC kompon merupakan penggabungan dari Motor DC seri dan Motor DC shunt. Motor dc Jenis Compound Motor jenis ini menggunakan lilitan seri dan lilitan shunt, yang umumnya digabung sehingga medan-medannya bertambah secara komulatif. Hubungan dua lilitan ini menghasilkan karakteristik pada motor medan shunt dan motor medan seri. Kecepatan motor tersebut bervariasi lebih sedikit dibandingkan motor shunt, tetapi tidak sebayak motor seri. Motor dc jenis compound juga mempinyai torsi starting yang agak besar jauh lebih besar daripada motor jenis shunt, tapi lebih kecil dibandingkan jenis seri. Keistimewaan gabungan ini membuat motor compound memberikan variasi penggunaan yang luas. Ada dua buah tipe Motor jenis kompon, yaitu : Motor kompon panjang dan Motor kompon pendek. Bila motor seri diberi penguat shunt tambahan seperti gambar diatas disebut motor kompon shunt panjang dan jika motor shunt diberi tambahan penguat seri seperti gambar diatas disebut motor kompon shunt pendek.Tujuan dari pembuatan rangkaian Motor kompon ini adalah mendapatkan keunggulan yang ada dari masing-masing tipe. Torsi yang besar dari Motor DC tipe seri dan regulasi tegangan yang baik dari tipe shunt.

PENGASUTAN MOTOR AC DAN DCPENGASUTAN MOTOR INDUKSISaat motor induksi distarting secara langsung,arus awal motor besarnya antara 500 % sd 700 % dari arus nominal. Ini akan menyebabkan drop tegangan yang besar pada pasokan tegangan PLN. Untuk motor daya kecil sampai 5 kW, arus starting tidak berpengaruh besar terhadap drop tegangan. Pada motor dengan daya diatas 30 kW sampai dengan 100 kW akan menyebabkan drop tegangan yang besar dan menurunkan kualitas listrik dan pengaruhnya pada penerangan yang berkedip. Pengasutan motor induksi adalah cara menjalankan pertama kali motor, tujuannya agar arus starting kecil dan drop tegangan masih dalam batas toleransi. Ada beberapa cara teknik pengasutan, di antaranya: 1. DIRECT ON LINE STARTERDirect On Line starter merupakan starting langsung. Penggunaan metoda ini sering dilakukan untuk motor-motor a.c yang mempunyai kapasitas daya yang kecil. Pengertian penyambungan langsung disini, motor yang akan dijalankan langsung di swich On ke sumber tegangan jala-jala sesuai dengan besar tegangan nominal motor. Artinya tidak perlu mengatur atau menurunkan tegangan pada saat starting (lihat gambar). Rangkaian untuk pengasut langsung (DOL Direct On Line) akan memutus atau menghubungkan suplai utama ke motor secara langsung. Karena arus pengasutan motor dapat mencapai tujuh / delapan kali lebih besar dari arus kondisi normal, maka pengasut langsung ini hanya digunakan untuk motor-motor kecil dengan daya kurang dari 5 Kw. Hal ini terjadi karena motor pada saat diam memiliki momen inersia (motor dalam keadaan diam), sehingga untuk mengalahkan momen inersia ini dibutuhkan arus yang besar. Starter ini terdiri dari Breaker sebagai proteksi hubung singkat, Magnetik Contactor, Over Currrent Relay dan komponen control seperti push button, MCB dan pilot lamp. Kontrol Start dan Stop dilakukan dengan push button yang mengontrol tegangan pada coil contactor. Sementara itu output OCR terangkai secara serrie sehingga jika OCR trip, maka output OCR akan melepas tegangan ke coil contactor.Komponen penyusun starter ini harus mempunyai ampacity yang cukup besar. Perlu diperhitungkan juga arus saat start motor, demikian juga ukuran range overloadnya.

Gambar 3.1 Diagram Direct On Line starter.2. METODE STAR-DELTAStarter ini mengurangi lonjakan arus dan torsi pada saat start. Tersusun atas 3 buah contactor yaitu Main Contactor, Star Contactor dan Delta Contactor, Timer untuk pengalihan dari Star ke Delta serta sebuah overload relay. Pada saat start, starter terhubung secara Star. Gulungan stator hanya menerima tegangan sekitar 0,578 (seper akar tiga) dari tegangan line. Jadi arus dan torsi yang dihasilkan akan lebih kecil dari pada DOL Starter. Setelah mendekati speed normal starter akan berpindah menjadi terkoneksi secara Delta. Starter ini akan bekerja dengan baik jika saat start motor tidak terbebani dengan berat.

Gambar 3.2 Star Delta StarterPada star delta starter, arus yang mengalir adalah

Dimana IDOL= Arus start langsung.

Untuk melakukan pengasutan motor dalam kondisi berbeban umumnya digunakan motor induksi dengan jenis rotor belitan karena memberi kemungkinan untuk melakukan penyambungan rangkaian rotor dengan tahanan luar melalui cincin slip dan sikat untuk meningkatkan torsi asut motor. Pada saat awal pengasutan motor, resistansi rotor luar adalah bernilai maksimum, kemudian seiring dengan meningkatnya putaran motor, resistansi rotor luar ini dikurangi secara bertahap hingga pada saat kecepatan penuh motor tercapai nilai resistansinya adalah nol dan motor bekerja normal seperti halnya rotor motor sangkar. Rangkaian pengasut motor ini dilengkapi juga dengan peralatan proteksi beban lebih, proteksi terhadap terjadinya kehilangan tegangan serta system interlocking untuk mencegah terjadinya pengasutan motor dalam kondisi pengasutan motor dalam kondisi resistansi rotor tak terhubungkan. Rangkaian seperti pada gambar, tetapi rangkaian proteksinya tidak ditunjukkan.

SINKRONISASI GENERATOR

4.1 SINKRONISASI HUBUNG GELAP TERANGParalel generator dapat diartikan menggabungkan dua buah generator atau lebih dan kemudian dioperasikan secara bersama sama dengan tujuan :1. Mendapatkan daya yang lebih besar.2. Untuk effisiensi (Menghemat biaya pemakaian operasional dan menghemat biaya pembelian)3. Untuk memudahkan penentuan kapasitas generator.4. Untuk menjamin kotinyuitas ketersediaan daya listrik.

SinkronisasiJika kita hendak memparalelkan dua generator atau lebih tentunya kita harus memperhatikan beberapa persyaratan paralel generator tersebut. Beberapa persyaratan yang harus dipenuhi adalah,1. Tegangan kedua generator harus mempunyai amplitudo yang sama.2. Tegangan kedua generator harus mempunyai frekuensi yang sama, dan3. Tegangan antar generator harus sefasa.Dengan persyaratan diatas berlaku apabila,1. Lebih dari dua generator yang akan kerja paralel.2. Dua atau lebih sistem yang akan dihubungkan sejajar.3. Generator atau pusat tenaga listrik yang akan dihubungkan pada sebuah jaringanMetoda sederhana yang dipergunakan untuk mensikronkan dua generator atau lebih adalah dengan mempergunakan sinkroskop lampu. Yang harus diperhatikan dalam metoda sederhana ini adalah lampu lampu indikator harus sanggup menahan dua kali tegangan antar fasa.

Sinkronoskop Lampu GelapJenis sinkronoskop lampu gelap pada prinsipnya menghubungkan antara ketiga fasa, yaitu U dengan U, V dengan V dan W dengan W.Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 4.1 Skema Sinkronoskop Lampu Gelap

Pada hubungan ini jika tegangan antar fasa adalah sama maka ketiga lampu akan gelap yang disebabkan oleh beda tegangan yang ada adalah nol. Demikian juga sebaliknya, jika lampu menyala maka diantara fasa terdapat beda tegangan. Ini dapat dijelaskan pada gambar berikut.

Gambar 4.2 Beda tegangan antara fasa pada sinkronoskop lampu gelap

Sinkronoskop Lampu TerangJenis sinkronoskop lampu terang pada prinsipnya menghubungkan antara ketiga fasa, yaitu U dengan V, V dengan W dan W dengan U. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 4.3 Skema Sinkronoskop Lampu TerangSinkronoskop jenis ini merupakan kebalikan dari sinkronoskop lampu gelap. Jika antara fasa terdapat beda tegangan maka ketiga lampu akan menyala sama terang dan generator siap untuk diparalel. Kelemahan dari sinkronoskop ini adalah kita tidak mengetahui seberapa terang lampu tersebut sampai generator siap diparalel. Ini dapat dijelaskan dengan gambar dibawah ini.

Gambar 4.4 Beda tegangan antara fasa sinkronoskop lampu terang

Sinkronoskop Lampu Terang GelapSinkronoskop jenis ini dapat dikatakan merupakan perpaduan antara sinkronoskop lampu gelap dan terang. Prinsip dari sinkronoskop ini adalah dengan menghubungkan satu fasa sama dan dua fasa yang berlainan, yaitu fasa U dengan fasa U, fasa V dengan fasa W dan fasa W dengan fasa V. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada skema dibawah ini.

Gambar 4.5 Skema sinkronoskop lampu terang gelap

Pada sinkronoskop ini generator siap diparalel, jika satu lampu gelap dan dua lampu lainnya terang. Pada kejadian ini dapat diterangkan pada gambar berikut ini.

Gambar 4.6 Beda tegangan antara fasa sinkronoskop lampu terang gelapProsedur sinkronisasi generator:1. Pastikan bahwa breaker dari generator yang akan diparalel (incoming generator) dalam keadaan terbuka, atau dengan kata lain incoming generator terisolasi dengan sistem.2. Pastikan AVR (Automatic Voltage Regulator) dalam keadaanAutomatic, bukan manual.3. Start Prime mover sampai pada spesifikasi putaran tanpa beban.4. Gunakan governor control untuk mengeset frekwensi Incoming Generator lebih tinggi 1/10 dari frekwensi sistem.5. Gunakan AVR untuk mengeset Tegangan Incoming Generator sama atau lebih tinggi dari sistem.6. Gunakan Synchroscope pada incoming generator dan set frekwensi incoming generator berputar perlahan lahan di daerah Fast mendekati 0.7. Tutup breaker incoming generator saat 1 sampai 2 derajat pada synchroscope sebelum posisi 0. Dengan asumsi breaker mepunyai massa lembam dengan demikian penutupan breaker tepat pada angka 0 pada synchroscope.8. Matikan synchroscope.9. Dengan governor control, buat perpindahan beban ke incoming generator secara perlahan lahan.10. Jika power faktor yang terbaca antara 2 generator atau lebih yangdiparalel tidak sama maka, set AVR masing masing generator sampai power faktor setiap generator mendekati sama.