materi kuliah ttl 08

Teknik Tenaga Listrik, Teknik Mesin, FT, UNEJ ‘08 1

Materi Kuliah Teknik Tenaga Listrik Oleh : Ir. Ahmad Syuhri, MT

1. SISTEM TENAGA LISTRIK

1.1. Elemen Sistem Tenaga

Salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untuk

mengirimkan energi adalah melalui bentuk energi listrik. Pada pusat

pembangkit, sumberdaya energi primer seperti bahan baker fosil (minyak, gas

alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi

listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanis yang dihasilkan pada

poros turbin menjadi energi listrik.

Melalui transformator penaik tegangan (step-up transformer), energi listrik

ini kemudian dikirimkan melalui saluran transmisi bertegangan tinggi menuju

pusat-pusat beban. Peningkatan tegangan dimaksudkan untuk mengurangi

jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisi yang dengan demikian

berarti rugi-rugi panas (heat-loss) I2R dapat dikurangi. Ketika saluran

transmisi mencapai pusat beban, tegangan tersebut kembali diturunkan

menjadi tegangan menengah, melalui transformator penurun tegangan (step-

down transformer).

Di pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran distribusi, energi

listrik ini diubah menjadi bentuk-bentuk energi terpakai lainnya seperti energi

mekanis (motor), penerangan, pemanas, pendingin, dan sebagainya.

Satuan listrik :

Arus listrik (I) => ampere

Tegangan listrik (V) = beda potensial => volt

Tahanan (R) = resistansi => ohm

Reaktansi (X)=> ohm

Impedansi (Z)= R ± jX => ohm

Daya (S) = P ± jQ => volt ampere

Daya aktif (P) => watt

Daya reaktif (Q) => volt ampere reaktif

Energi (E) => watt-hour (watt-jam)

Faktor daya (cos ϕ) => tidak ada satuan

1.2. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Pembangkit listrik jenis ini memanfaatkan bahan bakar minyak, gas alam,

atau batubara untuk membangkitkan panas dan uap pada BOILER. Uap ini

kemudian dipergunakan untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung

dengan sebuah generator sinkron. Uap yang telah melalui turbin kemudian

menjadi uap bertekanan dan bersuhu rendah. Uap ini kemudian dilewatkan

melalui kondenser yang menyerap panas uap tersebut sehingga uap tersebut

berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler.


Gambar : Skema PLTU

1.3. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Sebagaimana halnya Pusat Listrik Tenaga Diesel, PLTG merupakan mesin

dengan proses pembakaran dalam (internal combustion). Bahan baker berupa

minyak atau gas alam dibakar di dalam ruang pembakar (combustor). Udara

yang memasuki kompresor setelah mengalami tekanan bersama-sama dengan

bahan baker disemprotkan ke ruang pembakar untuk melakukan proses

pembakaran. Gas panas sebagai hasil pembakaran ini kemudian bekerja

sebagai fluida yang memutar roda turbin yang terkopel dengan generator

sinkron.


Gambar : Skema PLTG

1.4. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

Pada reactor air tekan (pressurized water reactor) terdapat dua rangkaian

yang seolah-olah terpisah. Pada rangkaian pertama bahan baker uranium-235

yang diperkaya dan tersusun dalam pipa-pipa berkelompok, disundut untuk

menghasilkan panas dalam reactor. Karena air dalam bejana penuh, maka

tidak terjadi pembentukan uap, melainkan air menjadi panas dan bertekanan.

Air panas yang bertekanan tersebut kemudian mengalir ke rangkaian kedua

melalui suatu generator uap yang terbuat dari baja. Generator uap ini

kemudian menghasilkan uap yang memutar turbin dan proses selanjutnya

mengikuti siklus tertutup sebagaimana berlangsung pada turbin uap PLTU.

Gambar : Skema PLTN

1.5. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA)

Penggunaan tenaga air mungkin merupakan bentuk konversi energi tertua

yang pernah dikenal manusia. Perbedaan vertical antara batas atas dengan

batas bawah bendungan di mana terletak turbin air, dikenal sebagai tinggi

terjun. Tinggi terjun ini mengakibatkan air yang mengalir akan memperoleh


energi kinetic yang kemudian mendesak sudu-sudu turbin. Bergantung kepada

tinggi terjun dan debit air, dikenal tiga macam turbin yaitu: Pelton, Francis dan

Kaplan.

Gambar : Skema PLTA

2. DASAR ELEKTROMEKANIK

2.1. Konversi Energi Elektromekanik

Konversi energi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor)

maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator)

berlangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubah dari

satu system ke system lainnya, sementara akan tersimpan pada medium

medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi system lainnya.

Dengan demikian, medan magnet di sini selain berfungsi sebagai tempat

penyimpanan energi juga sekaligus sebagai medium untuk mengkopel

perubahan energi.

Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi

elektromekanik dapat dinyatakan sebagai berikut (untuk motor):

(Energi Listrik sebagai input) = (Energi Mekanik sebagai output + Energi

panas) + (Energi pada medan magnet dan rugi-rugi magnetic)

atau dalam persamaan differensial, konversi energi dari elektris ke mekanis

adalah sebagai berikut:

dWE = dWM + dWF

Ini hanya berlaku ketika proses konversi energi sedang berlangsung pada

keadaan dinamis yang transient. Untuk keadaan tunak, dimana fluks

merupakan harga yang konstan, maka

dWF = 0

dWE = dWM

2.2. Gaya Gerak Listrik

Apabila sebuah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh ds memotong

suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada

konduktor dengan panjang efektif l adalah:

dφ = B l ds

Dari Hukum Faraday diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl)

E = dφ/dt


Maka e = B l ds/dt; dimana ds/dt = v = kecepatan

Jadi, e = B l v

2.3. Kopel

Arus listrik I yang dihasilkan di dalam suatu medan magnet dengan

kerapatan fluks B akan menghasilkan suatu gaya F sebesar:

F = B I l

Jika jari-jari rotor adalah r, maka kopel yang dibangkitkan adalah

T = F r

Perlu diingat bahwa saat gaya F dibangkitkan, konduktor bergerak di dalam

medan magnet da seperti diketahui akan menimbulkan gaya gerak listrik yang

merupakan reaksi (lawan) terhadap tegangan penyebabnya. Agar proses

konversi energi listrik menjadi energi mekanik (motor) dapat berlangsung,

tegangan sumber harus lebih besar daripada gaya gerak listrik lawan.

Begitu pula, suatu gerak konduktor di dalam medan magnet akan

membangkitkan tegangan e = B l V dan bila dihubungkan dengan beban, akan

mengalir arus listrik I atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik

(generator). Arus listrik yang mengalir pada konduktor tadi merupakan medan

magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B).

Interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerak

mekanik yang diberikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat

berlangsung, energi mekanik yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya

reaksi tadi.

2.4. Mesin Dinamik Elementer

Pada umumnya mesin dinamik terdiri atas bagian yang berputar disebut

rotor dan bagian yang diam disebut stator. Di antara rotor dan stator terdapat

celah udara. Stator merupakan kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu

dan rotor merupakan kumparan jangkar dengan belitan konduktor yang saling

dihubungkan ujungnya (lihat gambar) untuk mendapatkan tegangan induksi

(ggl).

Jika kumparan rotor diputar dengan arah berlawanan dari arah jarum jam,

tegangan akan dibangkitkan dengan arah yang berlawanan pada kedua ujung

rotor yang tidak dihubungkan.

Simulasi mesin dinamis (generator) dapat dilihat pada situs ini.

2.5. Interaksi Medan Magnet

Kerja suatu mesin dinamis dapat juga dilihat dari segi adanya interaksi

antar medan magnet stator dan rotor, yaitu:

F = B I l


Seperti diketahui, arus listrik (I) pada persamaan di atas akan

menimbulkan fluks juga di sekitar konduktor yang dilalui. Bila kerapatan fluks

akibat arus listrik dinyatakan dengan Bs (pada stator), sedang kerapatan fluks

akibat kumparan medan adalah Br (pada rotor), maka dapat dituliskan:

T = K Br Bs sin δ

Dimana

δ adalah sudut antara kedua sumbu medan magnet Br dan Bs

K adalah konstanta l x r

Sudut δ dikenal sebagai sudut kopel atau sudut daya dengan harga

maksimum δ = 90o. Dengan menganggap Br dan Bs sebagai fungsi arus rotor

dan arus stator, persamaan kopel menjadi:

T = K Ir Is sin δ

Dengan demikian, kopel terjadi sebagai interaksi antara dua medan magnet

atau dua arus.

2.6. Derajat Listrik

Pada setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang ditimbulkan sudah

menyelesaikan p/2 kali putaran. Maka untuk mesin 4 kutub, satu kali putaran

mekanik mesin (360o) berarti sama dengan dua kali putaran listrik (720o).

Persamaan umumnya adalah sebagai berikut:

θe = (p/2) θm

p = jumlah kutub mesin

θe = sudut listrik

θm = sudut mekanik

2.7. Frekuensi

Dari persamaan di atas, diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan

listrik yang dihasilkan, mesin telah menyelesaikan p/2 kali putaran. Karena itu

frekuensi gelombang tegangan adalah:

f = (p/2) (n/60)

n = rotasi per menit

n/60 = rotasi perdetik

Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan

ns = 120 (f/p)

Jadi misalnya untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50

putaran per detik dan mempunyai jumlah kutub p=2, maka kecepatan

berputar mesin tersebut adalah:

ns = (120 x 50)/2 = 3000 rpm.

Sumber lainnya tentang elektromagnetik:

3. MOTOR INDUKSI

Motor induksi merupakan motor arus bolak balik (ac) yang paling luas

penggunaannya. Berdasarkan penggunaannya, motor induksi paling banyak

digunakan karena memiliki keuntungan, antara lain :

- Konstruksinya sederhana dan dapat diandalkan


- Harganya murah

- Mempunyai effisiensinya tinggi

- Tidak menggunakan sikat sehingga rugi yang ditimbulkan akibat gesekan

sangat kecil.

- Power Faktor (PF) cukup baik.

- Perawatannya muda

- Penggunaan peralatan asut sangat sederhana.

Walaupun memiliki kelebihan, pada kenyataannya motor induksi mempunyai

kekurangan/kerugian yaitu:

- Pengaturan kecepatannya tidak dapat dilaksanakan tanpa mengurangi

effisiensinya.

- Kecepatan akan menurun seiring dengan pertambahan beban.

- Arus asutnya besar dan torsi startingnya kecil.

Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh

dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya

perbedaan relative antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field)

yang dihasilkan oleh arus stator.

Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan

menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns =

120f/2p). Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor

pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun akan

ikut berputar mengikuti medan putar stator.

Perbedaan putaran relative antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya

beban, akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesar pula

arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor

pun akan bertambah besar. Jadi , bila beban motor bertambah, putaran rotor

cenderung menurun. Dikenal dua tipe motor induksi yaitu motor induksi dengan rotor

belitan dan rotor sangkar.


Gambar : Motor Induksi.

3.1 Medan Putar

Sebelum kita membahas bagaimana rotating magnetic field (medan putar)

menyebabkan sebuah motor berputar, marilah kita tinjau bagaimana medan

putar ini dihasilkan. Gambar berikut menunjukkan sebuah stator tiga fasa

dengan suplai arus bolak balik tiga fasa pula.

Belitan stator terhubung wye (Y). Dua belitan pada masing-masing fasa

dililitkan dalam arah yang sama. Sepanjang waktu, medan magnet yang

dihasilkan oleh setiap fasa akan tergantung kepada arus yang mengalir melalui

fasa tersebut. Jika arus listrik yang melalui fasa tersebut adalah nol (zero),

maka medan magnet yang dihasilkan akan nol pula. Jika arus mengalir dengan

harga maksimum, maka medan magnet berada pada harga maksimum pula.

Karena arus yang mengalir pada system tiga fasa mempunyai perbedaan 120o,

maka medan magnet yang dihasilkan juga akan mempunyai perbedaan sudut

sebesar 120o pula.

Ketiga medan magnet yang dihasilkan akan membentuk satu medan, yang

akan beraksi terhadap rotor. Untuk motor induksi, sebuah medan magnet

diinduksikan kepada rotor sesuai dengan polaritas medan magnet pada stator.

Karenanya, begitu medan magnet stator berputar, maka rotor juga berputar

agar bersesuaian dengan medan magnet stator.

Gambar belitan stator tiga fasa.

Pada sepanjang waktu, medan magnet dari masing-masing fasa bergabung

untuk menghasilkan medan magnet yang posisinya bergeser hingga beberapa

derajat. Pada akhir satu siklus arus bolak balik, medan magnet tersebut telah

bergeser hingga 360o, atau satu putaran. Dan karena rotor juga mempunyai

medan magnet berlawanan arah yang diinduksikan kepadanya, rotor juga akan

berputar hingga satu putaran. Penjelasan mengenai ini dapat dilihat pada

gambar selanjutnya.


Putaran medan magnet dijelaskan pada gambar di bawah dengan

“menghentikan” medan tersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandai dengan

interval 60o pada gelombang sinus yang mewakili arus yang mengalir pada

tiga fasa A,B, dan C. Jika arus mengalir dalam suatu fasa adalah positif, medan

magnet akan menimbulkan kutub utara pada kutub stator yang ditandai

dengan A’, B’, dan C’.

Gambar putaran motor induksi dan medan putar.

Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positif maksimumnya.

Pada saat yang sama, arus pada fasa A dan B berada pada separuh harga

negative maksimumnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk secara

vertical dengan arah ke bawah, dengan kekuatan medan maksimum terjadi

sepanjang fasa C, antara kutub C (utara) dengan C’ (selatan). Medan magnet

ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang dihasilkan sepanjang

fasa A dan B, dengan kutub-kutub A’ dan B’ menjadi kutub-kutub utara dan

kutub-kutub A dan B menjadi kutub-kutub selatan.

Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 60 derajat

listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa A telah naik hingga harga negative

maksimumnya. Arus pada fasa B mempunya arah yang berlawanan dan berada

pada separuh harga maksimum positifnya. Begitu pula arus pada fasa C telah

turun hingga separuh dari harga maksimum positifnya. Medan magnet yang

dihasilkan terbentuk ke kiri arah bawah, dengan kekuatan medan maksimum

sepanjang fasa A, antara kutub-kutub A’ (utara) dan A (selatan). Medan

magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang timbul

sepanjang fasa B dan C, dengan kutub-kutub B dan C menjadi kutub-kutub

utara dan kutub-kutub B’ dan C’ menjadi kutub-kutub selatan. Di sini terlihat

bahwa medan magnet pada stator motor secara fisik telah berputar sebanyak

60o.

Pada posisi T3, gelombang sinus arus berputar lagi 60 derajat listrik dari

posisi sebelumnya hingga total rotasi pada posisi ini sebesar 120 derajat listrik.

Pada posisi ini, arus dalam fasa B telah naik hingga mencapai harga positif

maksimumnya. Arus pada fasa A telah turun hingga separuh dari harga

negative maksimumnya, sementara arus pada fasa C telah berbalik arah dan

berada pada separuh harga negative maksimumnya pula. Medan magnet yang


dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengan kekuatan medan maksimum

sepanjang fasa B, antara kutub B (utara) dan B’ (selatan). Medan magnet ini

dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah sepanjang fasa A dan C, dengan

kutub-kutub A’ dan C’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan C

menjadi kutub-kutub selatan. Sehingga terlihat di sini bahwa medan magnet

pada stator telah berputar 60o lagi dengan total putaran sebesar 120o.

Pada posisi T4, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 180 derajat

listrik dari titik T1 sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalah indentik

dengan posisi T1 kecuali bahwa polaritasnya telah berbalik. Karena fasa C

kembali pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang

fasa C kembali berada pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan

sepanjang fasa C akan memiliki kekuatan medan maksimum. Meskipun

demikian, dengan arus yang mengalir dalam arah yang berlawanan pada fasa

C, medan magnet yang timbul mempunyai arah ke atas antara kutub C’

(utara) dan C (selatan). Terlihat bahwa medan magnet sekarang telah berotasi

secara fisik sebanyak 180o dari posisi awalnya.

Pada posisi T5, fasa A berada pada harga positif maksimumnya, yang

menghasilkan medan magnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali, medan

magnet secara fisik telah berputar 60o dari titik sebelumnya sehingga total

rotasi sebanyak 240o. Pada titik T6, fasa B berada pada harga maksimum

negative yang menghasilkan medan magnet ke arah bawah sebelah kanan.

Medan magnet pun telah berotasi sebesar 60o dari titik T5 sehingga total rotas

adalah 300o.

Akhirnya, pada titik T7, arus kembali ke polaritas dan nilai yang sama

seperti pada Posisi T1. Karenanya, medan magnet yang dihasilkan pada posisi

ini akan identik dengan pada posisi T1. Dari pembahasan ini, terlihat bahwa

untuk satu putaran penuh gelombang sinus listrik (360o), medan magnet yang

timbul pada stator sebuah motor juga berotasi satu putaran penuh (360o).

Sehingga, dengan menerapkan tiga-fasa AC kepada tigfa belitan yang

terpisah secara simetris sekitar stator, medan putar (rotating magnetic field)

juga timbul.

3.2. SLIP

Jika arus bolak balik dikenakan pada belitan stator dari sebuah motor

induksi, sebuah medan putar timbul. Medan putar ini memotong batang rotor

dan menginduksikan arus kepada rotor. Arah aliran arus ini dapat ditentukan

dengan menggunakan aturan tangan kiri untuk generator.

Arus yang diinduksikan ini akan menghasilkan medan magnet di sekitar

penghantar rotor, berlawanan polaritas dari medan stator, yang akan mengejar

medan magnet pada stator. Karena medan pada stator terus menerus

berputar, rotor tidak pernah dapat menyamakan posisi dengannya alias selalu

tertinggal dan karenanya akan terus mengikuti putaran medan pada stator

sebagaimana ditunjukkan pada gambar di bawah ini.


Gambar Induction Motor

Dari penjelasan di atas, terlihat bahwa rotor pada motor induksi tidak

pernah dapat berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan

putar. Jika kecepatan rotor sama dengan keceparan medan putar stator, maka

tidak ada gerak relatif antara keduanya, dan tidak akan ada induksi EMF

kepada rotor. Tanpa induksi EMF ini, tidak akan ada interaksi medan yang

diperlukan untuk menimbulkan gerak. Rotor, karenanya ahrus berputar dengan

kecepatan yang lebih rendah dari kecepatan medan putar stator jika gerak

relatif tersebut harus ada antara keduanya.

Persentase perbedaan antara kecepatan rotor dan kecepatan medan putar

disebut dengan slip. Semakin kecil slip, semakin dekat pula kecepatan rotor

dengan kecepatan medan putar. Persen slip dapat dicari menggunakan

Equation (12-1).

dimana

NS= kecepatan sinkron (rpm) ; NR= kecepatan rotor (rpm)

Kecepatan medan putar atau kecepatan sinkron dari suatu motor dapat

dicari dengan menggunakan Equation (12-2).

dimana

Contoh:

Sebuah motor induksi dua kutub, 60 Hz, mempunyai kecepatan pada beban penuh

sebesar 3554 rpm. Berapakah persentase slip pada beban penuh?


Solusi:

3.3. Torque

Torque motor induksi AC tergantug kepada kekuatan medan rotor dan

stator yang saling berinteraksi dan hubungan fasa antara keduanya. Torque

dapat dihitung dengan Equation (12-3).

dimana

Selama operasi normal, K, , dan cos adalah konstan, sehingga torque

berbanding lurus dengan arus rotor. Arus rotor meningkat dengan proporsi

yang sama dengan slip. Perubahan torque terhadap slip menunjukkan bahwa

begitu slip naik dari nol hingga –10%, torque naik secara linier. Begitu torque

dan slip naik melebihi torque beban penuh, maka torque akan mencapai harga

maksimum sekitar 25% slip. Torque maksimum disebut breakdown torque

motor. Jika beban dinaikkan melebihi titik ini, motor akan stall dan segera

berhenti. Umumnya, breakdown torque bervariasi dari 200 hingga 300%

torque beban penuh. Torque awal (starting torque) adalah nilai torque pada

100% slip dan normalny 150 hingga 200% torque beban penuh. Seiring

dengan pertambahan kecepatan dari rotor, torque akan naik hingga breakdown

torque dan turun mencapai nilai yang diperlukan untuk menarik beban motor

pada kecepatan konstan, biasanya antara 0 – 10%. Gambar berikut

menunjukkan karakteristik Torque terhadap slip.


3.4. Motor Satu Fasa

Jika dua belitan stator dengan impedansi yang tidak sama dipisahkan

sejauh 90 derajat listrik dan terhubung secara parallel ke sumber satu fasa,

medan yang dihasilkan akan tampak berputar. Ini disebut dengan pemisahan

fasa (phase splitting).

Pada motor fasa terpisah (split-phase motor), dipergunakanlah lilitan

starting untuk penyalaan. Belitan ini mempunyai resistansi yang lebih tinggi

dan reaktansi yang lebih rendah dari belitan utama. Jika tegangan yang sama

VT dikenakan pada belitan starting dan utama, arus pada belitan utama (IM)

tertinggal dibelakang arus pada belitan starting (IS). Sudut antara kedua

belitan mempunyai beda fasa yang cukup untuk menimbulkan medan putar

untuk menghasilkan torque awal (starting torque). Ketika motor mencapai 70

hingga 80% dari kecepatan sinkron, saklar sentrifugal pada sumbu motor

membuka dan melepaskan belitan starting. Motor satu fasa biasanya

digunakan untuk aplikasi kecil seperti peralatan rumah tangga (contoh mesin

pompa).

3.5. Motor Sinkron

Motor sinkron serupa dengan motor induksi pada mana keduanya

mempunyai belitan stator yang menghasilkan medan putar. Tidak seperti

motor induksi, motor sinkron dieksitasi oleh sebuah sumber tegangan DC di

luar mesin dan karenanya membutuhkan slip ring dan sikat (brush) untuk

memberikan arus kepada rotor. Pada motor sinkron, rotor terkunci dengan

medan putar dan berputar dengan kecepatan sinkron. Jika motor sinkron

dibebani ke titik dimana rotor ditarik keluar dari keserempakannya dengan

medan putar, maka tidak ada torque yang dihasilkan, dan motor akan

berhenti. Motor sinkron bukanlah self-starting motor karena torque hanya akan

muncul ketika motor bekerja pada kecepatan sinkron; karenanya motor

memerlukan peralatan untuk membawanya kepada kecepatan sinkron.

Motor sinkron menggunakan rotor belitan. Jenis ini mempunyai kumparan

yang ditempatkan pada slot rotor. Slip ring dan sikat digunakan untuk

mensuplai arus kepada rotor.

Penyalaan Motor Sinkron

Sebuah motor sinkron dapat dinyalakan oleh sebuah motor dc pada satu

sumbu. Ketika motor mencapai kecepatan sinkron, arus AC diberikan kepada

belitan stator. Motor dc saat ini berfungsi sebagai generator dc dan

memberikan eksitasi medan dc kepada rotor. Beban sekarang boleh diberikan


kepada motor sinkron. Motor sinkron seringkali dinyalakan dengan

menggunakan belitan sangkar tupai (squirrel-cage) yang dipasang di hadapan

kutub rotor. Motor kemudian dinyalakan seperti halnya motor induksi hingga

mencapai –95% kecepatan sinkron, saat mana arus searah diberikan, dan

motor mencapai sinkronisasi. Torque yang diperlukan untuk menarik motor

hingga mencapai sinkronisasi disebut pull-in torque.

Seperti diketahui, rotor motor sinkron terkunci dengan medan putar dan

harus terus beroperasi pada kecepatan sinkron untuk semua keadaan beban.

Selama kondisi tanpa beban (no-load), garis tengah kutub medan putar dan

kutub medan dc berada dalam satu garis (gambar dibawah bagian a). Seiring

dengan pembebanan, ada pergeseran kutub rotor ke belakang, relative

terhadap kutub stator (gambar bagian b). Tidak ada perubahan kecepatan.

Sudut antara kutub rotor dan stator disebut sudut torque .

Gambar sudut torque (torque angle)

Jika beban mekanis pada motor dinaikkan ke titik dimana rotor ditarik

keluar dari sinkronisasi , maka motor akan berhenti. Harga maksimum

torque sehingga motor tetap bekerja tanpa kehilangan sinkronisasi disebut

pull-out torque.

4. GENERATOR AC (ALTERNATOR)

Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber

tegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting

untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator ac, umumnya disebut alternator,

bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai. Sebagai contoh,

alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar, membangkitkan ribuan

kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternator di mobil,

yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram dan

menghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.

Sumber lain : http://www.rowand.net/Shop/Tech/AlternatorGeneratorTheory.htm

Dasar-dasar Generator AC

Berapapun ukurannya, semua generator listrik, baik ac maupun dc,

bergantung kepada prinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalam sebuah

kumparan sebagai hasil dari (1) kumparan yang memotong medan magnet,

atau (2) medan magnet yang memotong sebuah kumparan. Sepanjang ada

gerak relative antara sebuah konduktor dan medan magnet, tegangan akan

diinduksikan dalam konduktor. Bagian generator yang mendapat induksi

tegangan adalah armature. Agar gerak relative terjadi antara konduktor dan


medan magnet, semua generator haruslah mempunyai dua bagian mekanis

yaitu rotor dan stator.

ROTATING-ARMATURE ALTERNATOR

Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai

konstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputar

dalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan

dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dc dengan menggunakan

komutator (sebagai penyearah). Pada alternator, tegangan ac yang

dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada beban dengan

menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada

alternator untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik

dalam jumlah besar.

ROTATING-FIELD ALTERNATORS

Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner

dan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakan system

belitan armature stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat

dihubungkan langsung ke beban.

Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk

menghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ring

sangat sulit untuk diisolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkat dapat

terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggi biasanya

menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yang dikenakan pada

medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yang dijumpai

pada tegangan tinggi tidak terjadi.

Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai

belitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan

yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksi potong ini adalah

tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.

Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang

melekat pada inti ini.

Sumber : http://www.adtdl.army.mil/cgi-bin/atdl.dll/fm/55-509-1/Ch13.htm


4.2. Fungsi-Fungsi Komponen Alternator

Secara umum generator ac medan berputar terdiri atas sebuah alternator dan

sebuah generator dc kecil yang dibangun dalam satu unit. Keluaran dari

alternator merupakan tegangan ac untuk menyuplai beban dan generator dc

dikenal sebagai exciter untuk menyuplai arus searah bagi medan putar.

Gambar : Ggenerator AC dan Schematic-nya

Exciter adalah sebuah generator dc eksitasi sendiri dengan belitan shunt.

Medan exciter menghasilkan intensitas fluks magnetic antara kutub-kutubnya.

Ketika armature exciter berotasi dalam fluks medan exciter, tegangan

diinduksikan dalam belitan armature exciter. Keluaran dari komutator exciter

dihubungkan melalui sikat dan slip ring ke medan alternator. Karena arusnya

adalah arus searah, maka arus selalu mengalir dalam satu arah melalui medan

alternator. Sehingga, medan magnet dengan polaritas tetap selalu terjadi

sepanjang waktu dalam belitan medan alternator. Ketika alternator diputar,

fluks magnetiknya dilalukan sepanjang belitan armature alternator. Tegangan

bolak balik pada belitan armature generator ac dihubungkan ke beban melalui

terminal.

PRIME MOVER (Penggerak Utama)

Semua generator, besar dan kecil, ac dan dc, membutuhkan sebuah

sumber daya mekanik untuk memutar rotornya. Sumber daya mekanis ini

disebut prime mover. Prime mover dibagi dalam dua kelompok yaitu untuk

high-speed generator dan low-speed generator. Turbin gas dan uap pada PLTG

dan PLTU adalah penggerak utama berkecepatan tinggi sementara mesin

pembakaran dalam (internal combustion engine), air pada PLTA dan motor

listrik dianggap sebagai prime mover berkecepatan rendah.

Jenis prime mover memainkan peranan penting dalam desain alternator

karena kecepatan pada mana rotor diputar menentukan karakteristik operasi

dan konstruksi alternator.


ROTOR ALTERNATOR

Ada dua jenis rotor yang digunakan untuk alternator medan berputar yaitu

turbine-driven dan salient-pole rotor. Jenis turbine-driven digunakan untuk

kecepatan tinggi dan salient-pole untuk kecepatan rendah. Belitan pada

turbine-driven rotor disusun sedemikian rupa sehingga membentuk dua atau

empat kutub yang berbeda. Belitan-belitan tersebut dilekatkan erat-erat di

dalam slot agar tahan terhadap gaya sentrifugal pada kecepatan tinggi.

Salient-pole rotor seringkali terdiri dari beberapa kutub yang dibelit

terpisah, dibautkan pada kerangka rotor. Salient-pole rotor mempunyai

diameter yang lebih besar dari turbine-driven rotor. Pada putaran per menit

yang sama, salient-pole memiliki gaya sentrifugal yang lebih besar. Untuk

menjaga keamanan dan keselatan sehingga belitannya tidak terlempar keluar

mesin, salient-pole hanya digunakan pada aplikasi keceparan rendah.

4.3. Karakteristik Alternator dan Batasannya

Alternator di-rating berdasarkan tegangan yang dihasilkannya dan arus

maksimum yang mampu diberikannya. Arus maksimum tergantung kepada

rugi-rugi panas dalam armature. Rugi panas ini (rugi daya I2 R) akan

memanaskan konduktor, dan jika berlebihan akan merusak isolasi. Karenanya,

alternator di-rating sesuai dengan arus ini dan tegangan keluarannya dalam

volt-ampere atau untuk skala besar dalam kilovolt-ampere.

Informasi mengenai kecepatan rotasinya, tegangan yang dihasilkan, batas

arusnya dan karakteristik lainnya biasanya ditempelkan pada badan mesin –

name plate.

4.4. Frekuensi

Frekuensi keluaran dari tegangan alternator tergantung kepada kecepatan

rotasi dari rotor dan jumlah kutubnya. Semakin cepat, semakin tinggi pula

frekuensinya. Semakin lambat, semakin rendah pula frekuensinya. Semakin

banyak kutub pada rotor, semakin tinggi pula frekuensinya pada kecepatan

tertentu.

Ketika rotor telah berotasi beberapa derajat sehingga dua kutub

berdekatan (utara dan selatan) telah melewati satu belitan, tegangan yang

diinduksikan dalam belitan tersebut akan bervariasi hingga selesai satu siklus.

Untuk suatu frekuensi yang ditentukan, semakin banyak jumlah kutub,

semakin lambat kecepatan putaran. Prinsip ini dapat dijelaskan sebagai

berikut, misalkan; sebuah generator dua kutub harus berotasi dengan

kecepatan empat kali lipat dari kecepatan generator delapan kutub untuk

menghasilkan frekuensi yang sama dari tegangan yang dibangkitkan.

Frekuensi pada semua generator ac dalam satuan hertz (Hz), yaitu banyaknya

siklus per detik, berkaitan dengan jumlah kutub dan kecepatan rotasi sesuai

dengan persamaan berikut:


dimana P adalah jumlah kutub, N adalah kecepatan rotasi dalam revolusi per

menit (rpm) dan 120 adalah sebuah konstanta untuk konversi dari menit ke

detik dan dari jumlah kutub ke jumlah pasangan kutub. Sebagai contoh,

sebuah alternator dua kutub, 3600 rpm mempunyai frekuensi 60 Hz,

ditentukan sebagai berikut:

Sebuah generator empat kutub dengan kecepatan 1800 rpm juga bekerja pada

frekuensi 60 Hz.

Sebuah generator enam kutub 500 rpm mempunyai frekuensi

Sebuah generator 12 kutub dengan kecepatan 4000 rpm mempunyai frekuensi

4.5. Pengaturan Tegangan

Sebagaimana yang telah kita lihat, ketika beban pada generator berubah,

tegangan terminal pun ikut berubah. Besarnya perubahan tergantung pada

desain generator.

Pengaturan tegangan pada sebuah alternator adalah perubahan tegangan

dari beban penuh ke tanpa beban, dinyatakan sebagai persentase tegangan

beban penuh, ketika kecepatan dan arus medan dc tetap konstan.

Anggap bahwa tegangan tanpa beban generator adalah 250 volt dan

tegangan beban penuh adalah 220 volt. Persen regulasi adalah:

Untuk diingat, bahwa semakin kecil persentase regulasi, semakin baik pula

regulasinya untuk kebanyakan aplikasi.

Prinsip Pengaturan Tegangan AC

Di dalam sebuah alternator, tegangan bolak balik diinduksikan dalam

belitan armature ketika medan magnet melewati belitan ini. Besarnya

tegangan yang diinduksikan ini tergantung kepada tiga hal yaitu: (1) jumlah

konduktor dengan hubungan seri pada setiap belitan, (2) kecepatan (rpm

generator) pada mana medan magnet memotong belitan, dan (3) kekuatan

medan magnet. Salah satu dari factor ini dapat digunakan untuk pengaturan

tegangan yang diinduksikan dalam belitan alternator.

Jumlah belitan, tentu saja tidak berubah tetap ketika alternator diproduksi.

Juga, jika frekuensi keluaran harus konstan, maka kecepatan medan putar


haruslah konstan pula. Ini mengakibatkan penggunaan rpm alternator untuk

pengaturan tegangan keluaran menjadi tidak diperbolehkan.

Sehingga, metode praktis untuk melakukan pengaturan tegangan adalah

dengan mengatur kekuatan medan putar. Kekuatan medan elektromagnetik ini

dapat berubah seiring dengan perubahan besarnya arus yang mengalir melalui

kumparan medan. Ini dapat dicapai dengan mengubah-ubah besarnya

tegangan yang dikenakan pada kumparan medan.

4.7. Operasi Paralel Alternator

Alternator dapat dihubungkan secara parallel untuk (1) meningkatkan

kapasitas keluaran dari suatu system melebihi apa yang didapat dari satu unit,

(2) berfungsi sebagai daya cadangan tambahan untuk permintaan yang suatu

ketika bertambah, atau (3) untuk pemadaman satu mesin dan penyalaan

mesin standby tanpa adanya pemutusan aliran daya.

Ketika alternator-alternator yang sedang beroperasi pada frekuensi dan

tegangan terminal yang berbeda, kerusakan parah dapat terjadi jika

alternator-alternator tersebut secara mendadak dihubungkan satu sama lain

pada satu bus yang sama (satu titik hubung). Untuk menghindari ini, mesin-

mesin tersebut harus disinkronkan dahulu sebelum disambungkan bersama-

sama. Ini dapat dicapai dengan menghubungkan satu generator ke bus (bus

generator), dan mensinkronkan generator lainnya sebelum keduanya

disambungkan. Generator dikatakan sinkron jika memenuhi kondisi berikut:

1. Tegangan terminal yang sama. Diperoleh dengan menyetel kekuatan

medan bagi generator yang hendak masuk ke dalam rangkaian

(disambungkan).

2. Frekuensi yang sama. Diperoleh dengan menyetel kecepatan prime mover

dari generator yang hendak disambungkan.

3. Urutan fasa tegangan yang sama.

Referensi:

Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya – ZUHAL

http://www.tpub.com/neets/book5/17.htm

http://www.tpub.com/doeelecscience/electricalscience2143.htm

materi kuliah ttl 08

Documents