Bab Vi-Mesin Sinkron A. Simanjuntak PDF

 

BAB VI MESIN MESI N SINKRON SINKRON

Deskripsi Singkat

Pada bab ini akan diuraikan mengenai generator sinkron meliputi: prinsip kerja, generator sinkron tanpa beban dan berbeban, pengaturan tegangan, kerja paralel dan efisiensi, sedangkan motor sinkron meliputi: menjalankan, mengatur perputaran, mengubah arah putaran dan  pengereman.

Kompetensi Dasar:

Setelah mempelajari bab ini diharapkan anda anda dapat menguraikan menguraikan generator sinkron dan motor sinkron.

Indikator:

1. Menguraikan Menguraikan prinsip prinsip kerja kerja generator generator sinkron. sinkron. 2. Menguraikan Menguraikan generator generator sinkron sinkron tanpa beban. beban. 3. Menguraikan Menguraikan generator generator sinkron sinkron berbeban. berbeban. 4. Mengat Mengatur ur tegang tegangan an genera generator tor sinkro sinkron. n. 5. Menjelaskan Menjelaskan kerja parallel parallel generator generator sinkron. sinkron. 6. Meng Menghi hitu tung ng efis efisie iens nsii 7. Menjelaskan Menjelaskan cara menjalanka menjalankan n motor motor sinkron sinkron 8. Menjelaskan Menjelaskan cara mengat mengatur ur perputa perputaran ran motor motor sinkron sinkron 9. Menjelaskan Menjelaskan cara mengub mengubah ah arah arah perputaran perputaran motor sinkron sinkron 10. Menjelaskan cara pengereman motor sinkron sinkron

VI. I.1 1

Gen ener erat ator or Sin Sinkr kron on

VI.1.1 VI. 1.1 Prinsi Prinsip p Kerja

Prinsip kerja generator sinkron sama dengan prinsip kerja generator dc (kebalikan motor dc), dimana berlaku aturan kaidah tangan kiri. Perbedaannya dengan generator dc, pada generator ac (sinkron) tidak ada komutator, sehingga generator sinkron menghasilkan keluaran tegangan bolak-balik (sinusoidal).

 

Macam-macam generator sinkron: 1. Ditinjau Ditinjau dari dari jumlah jumlah fasa yaitu: yaitu: a. generat generator or sinkron sinkron 1 fasa  

b. generator sinkron 3 fasa

2. Ditinj Ditinjau au dari dari let letak ak kutu kutubny bnyaa ada ada 2 yaitu yaitu:: a. Kutub dalam:  

- kumparan medan terletak di rotor.

 

- kumparan jangkar terletak di stator.  b. Kutub luar:

 

- kumparan kumparan medan terletak terletak di stator. stator.

 

- kumparan jangkar terletak di rotor.

3. Ditinj Ditinjau au dari dari sist sistem em eksi eksitasi tasinya nya - dengan dengan AVR  AVR  - deng dengan an PMG (Permanen (Permanentt Magnet Magnet Generator) Generator) 4.

Ditinj Ditinjau au dari dari frekw frekwens ensiny inyaa yaitu: yaitu: 60 HZ dan dan 50 HZ. HZ.

VI.1.2 VI.1 .2 Generator Generator Sinkron Sinkron Tanpa Tanpa Beban

Saat generator berputar pada kecepatan sinkronnya dan kumparan medan dialiri arus,  pada armature (kumparan jangkar) akan terbangkit tegangan tegangan yang dirumuskan sebagai:

E o  cn dimana: E o = teg tegan ang gan in indu duk ksi c    

= ko konst nstant antaa kumpa kumparan ran jangka jangkarr (kons (konstan tanta ta mesin mesin))

n

= kec ecep epat atan an si sink nkrron  = fluks yang dihasilkan oleh If   pada kumparan medan.

Selanjutnya diagramnya dapat dilihat pada gambar VI.1 berikut:

R a Eo

 

R a = tahanan kumparan jangkar 

Xa

Xa = Reaktansi Reaktansi kumparan kumparan jangkar  jangkar  V

V = tegangan terminal (V output)

Gambar VI.1 Diagram generator sinkron tanpa beban.

 Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

102

 

VI.1.3 VI.1 .3 Generator Generator Sinkron Sinkron Berbeban Berbeban

Pada saat generator dibebani maka tegangan output akan lebih kecil disbanding tegangan yang terbangkit pada kumparan jangkar. Hal ini disebabkan oleh adanya drop tegangan, yaitu: 1. Drop Drop te tegan gangan gan karena karena tegang tegangan an jangk jangkar ar (IaR a) 2. Drop Drop te tegan gangan gan karena karena Reakta Reaktansi nsi jangka jangkarr (IaXa) 3. Drop tegangan tegangan karena karena ttegang egangan an Reaktansi Reaktansi bocor (IaXL)

Reaktansi bocor timbul karena tidak semua fluks kumparan medan diterima oleh kumparan  jangkar. Reaktansi jangkar + Reaktansi bocor sering digabungkan dan disebut sebagai Reaktansi Sinkron. Xa + XL = XS

 Diagram generator generator berbeban

Diagram generator sinkron berbeban ada 3 yaitu: pada saat; a.

Cos  = 1 Ea Ia X a

Ia X S

Ia X L Ia R a

V

I

Gambar VI.2 Vektor diagram untuk Pf = 1

 b.

Cos    = lagging   E

a

Ia X

a

Ia X IaR

S

Ia X L a

V

I

Gambar VI.3 Vektor diagram untuk Pf = lagging la gging

 Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

103

 

c.

Cos    = leading  I

Ea Ia X a V

Ia X L

Ia X L IaR a

Gambar VI.4 Vektor diagram untuk Pf = leading

VI.1.4 Pengaturan tegangan generator sinkron.

Terjadinya perbedaan antara tegangan terminal V dalam keadaan berbeban, dengan tegangan E o  pada saat tidak berbeban, dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya arus (I) yang mengalir. Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara a ntara keadaan tanpa  beban dengan beban penuh, penuh, dan dinyatakan:

  Eo  V   PengaturanTegangan  V

VI.1.5 VI.1 .5 Kerja paralel paralel generator generator sinkron. sinkron.

Untuk melayani beban yang berkembang, ada kalanya kita harus memparalelkan dua atau lebih alternator dengan maksud memperbesar kapasitas daya yang dibangkitkan Selain untuk tujuan di atas, kerja parallel juga sering dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin (alternator) yang harus dihentikan misalnya untuk istirahat atau reperasi. Untuk maksud memparalel ini, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi, yaitu: 1. Harga sesaat sesaat ggl kedua kedua alternator alternator harus sama dalam dalam kebesa kebesaranny rannya, a, dan bertentang bertentangan an dalam arah. Atau harga sesaat ggl alternator harus ha rus sama dalam kebesarnnya dan bertentangan dalam arah dengan harga efektif tegangan jala-jala. 2. Frekwensi Frekwensi kedua kedua alternator alternator atau atau alternator alternator dengan dengan jala-ja jala-jala la harus harus sama. 3. Urutan Urutan fa fasa sa ked kedua ua altern alternato atorr harus harus sama. sama.  Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

104

 

VI.1.6 VI. 1.6 Efisie Efisiens nsii

Untuk menghitung efisiensi dari generator sinkron adalah dengan menggunakan rumus  berikut:

(Po )aktif   ekonomi  (P )aktif   100 % in

VI.2

Motor Sinkron

Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan kecepatan tetap pada sistem frekwensi tertentu. 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. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistem, sehingga sering digunakan pada sistem yang menggunakan banyak listrik.

Gambar VI.5 Motor sinkron (Integrated Publishing, 2003)

Komponen utama motor sinkron adalah: 

  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 magnett permanen magne permanen atau arus arus DC-excited , yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya.  Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

105

 



  Stator  

Stator menghasilkan menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan dengan frekwensi frekwensi yang dipasok. dipas ok. Motor Motor ini berputar berputar pada pada kecepa kecepatan tan sinkron, sinkron, yang diberik diberikan an oleh persamaan persamaan berikut berikut (Parekh, (Pare kh, 2003): 2003):

120 f   N     p S

dimana: f = frekwensi  p = jumlah kutub

Untuk menjalankan motor sinkron, dipakai berbagai cara yaitu: a. Diputa Diputarr deng dengan an p peng engger gerak ak mula mula.. 

Motor sinkron diputar dengan penggerak mula,



kemudian diparalel diparalel dengan jala – jala dengan syarat sebagai berikut: -

Urutan fa fasa sa sama

-

Tegangan sama

-

Frekuensi sama

-

Be Bed da fa fasa ha harus no nol



Seteleh diparalel, penggerak mula dilepas



Beban masuk 

 b. Dengan mengerjakan motor sinkron tersebut sebagai sebagai motor induksi. Hal ini dapat dilakukan, jika motor sinkron tersebut mempunyai ” Damper Winding” (kumparan peredam). Pada motor sinkron ”linear”, pengaturan putaran dilakukan dengan mengatur ferkuensi tegangan sumber. Sedangkan Sedangkan mengubah arah putaran putaran motor sinkron dilakukan dengan menukar menukar dua buah fasanya. Pada motor sinkron ”linear”, pengereman dilakukan dengan cara regeneratif.

Contoh Soal 

1. Gen Gener eraator tor 1  dengan spesifikasi sebagai berikut: Daya 60 KVA ; 50 Hz ; 220 V ; R a = 0,016 ohm ; X a  X   L  0,07ohm . Hitung tegangan yang terbangkit di jangkar hingga generator dalam kondisi beban:  Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

106

 

a. Pf  Pf     1  b. Pf  Pf     0,7 lagging c. Pf  Pf     0,7 leading

Penyelesaian S 60  1000 I  Ia      272,7A V 220

E a  V   I a (R a   jX S )  220  272,7  0,016   j0,07

 220  4,3632     j19,089  224,3632   j19,089 2

19,089

2

 (224,3632)  (19,089) arctg

224,3632

 50703,23544  arctg0,08508079756  225,17 225,17 4,86

o

Volt

Maka tegangan yang terbangkit di di jangkar hingga generator generator dalam kondisi beban:

  0o

cos   1  

a. Untuk Pf   Pf    1  

E a  Vcos  I a  R a    jVsin  I a X S   (220).(1)  (272,7).(0 ,016)      j(220).(0)  (272,7)(0, 07)   220  4,3632      j19,089 

   

 224,3632   j19,089

 

 (224,3632)  (19,089) arctg

 

o  50703,23544  arctg0,08508079756  225,17 225,17 4,86 Volt

2

Pengaturan tegangan

2



225,17  220

 b. Untuk Pf   Pf    0,7 lagging  

 Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

220

19,089 224,3632

 100%  2,35%

cos   0,7  

  45,57 o  

107

 

E a  Vcos  I a  R a    jVsin  I a X S 

 

 (220).(0,7 )  (272,7).(0 ,016)    j(220).(0,7 14)  (272,7)(0, 07)   

 154  4,3632     j157,08  19,089 

 

 158,3632   j176,169

 



 

 56114,41968  arctg1,112436475

(158,3632)2  176,169) 2 arctg

176,169 158,3632

 236,88 236,88 48,05o Volt

 

Pengaturan tegangan

c. Untuk



236,88  220 220

Pf   Pf    0,7 leading  

 100%  7,67%

cos   0,7  

o   45,57  

E a  Vcos  I a  R a    jVsin  I a X S 

 

 

 (220).(0,7 )  (272,7).(0 ,016)    j(220).(0,7 14)  (272,7)(0, 07)

 

 154  4,3632     j157,08  19,089 

 

 158,3632   j137,991

 



(158,3632)2  137,991) 2 arctg

 



44120,4192 44120,4192 arctg0,8713577397

137,991 158,3632

o  210,05 210,05 41,08 Volt

Pengaturan tegangan



210,05  220 220

 100%  4,52%

2. Motor sinkron sinkron per fasa fasa mempunyai mempunyai tegangan tegangan terminal terminal 500 volt, volt, daya output output 7,46 kW, kW, dan  beroperasi pada faktor daya daya tertinggal 0,9. Besar hambatan armatur 0,8 0hm. 0hm. Jika rugi inti  bersama – sama dengan rugi rugi gesek per fasa sebesar 500 W, dan ru rugi gi eksitasi per fasa sebesar 800 W; Hitunglah: a. Arus jangkar  Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

b. Efisiensi ekonomi 108

 

Penyelesaian

a.

Pa  Pc  Pgesek     Peksitasi  Po  (500  800  7,460) W  8,760 W Pin

 

 I a2 R a  Pa

Vt I L Cos     I a2  0,8  8,760 500  I a  0,9  I a2  0,8  8,760 I a  20,2 A

 b. Pin  V  t I L Cos   500  20,2  0,9 W  9,090 W  ekonomi   Po  100 % Pin 

7,460 9,090

 100 %

 82 %

Rangkuman

1. Generator Generator sinkron sinkron adalah adalah suatu alat yang dapat dapat mengkonvers mengkonversii energi mekanik mekanik menjadi menjadi energi listrik arus bolak-balik. Adapun proses konversi berlangsung adalah melalui medium medan magnet. 2. Saat generator generator berputar berputar pada kecepatan kecepatan sinkronn sinkronnya ya dan kumparan kumparan medan dialiri dialiri arus, pada pada armature (kumparan jangkar) akan terbangkit tegangan yang dirumuskan sebagai:

E o  cn 3. Besarnya Besarnya pengatur pengaturan an tegangan tegangan pada pada generato generatorr sinkron sinkron sangat sangat dipengar dipengaruhi uhi oleh oleh perubahan perubahan tegangan terminal alternator antara keadaan tanpa beban dengan beban penuh. 4. Efisiensi Efisiensi generator generator sinkron sinkron sangat sangat dipengaruhi dipengaruhi oleh rugi-rug rugi-rugii yang terjadi selama selama operasional. Semakin besar rugi-rugi yang terjadi maka efisiensi semakin rendah.

 Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

109

 

5. Motor sinkron sinkron adalah adalah su suatu atu alat alat yan yang g dapat dapat meng mengkonv konversi ersi energ energii listrik listrik arus bolak-balik bolak-balik menjadi energi energi mekanik. Adapun Adapun proses proses konversi berlangsung adalah melalui medium medan magnet. 6. Menjalanka Menjalankan n motor motor sinkron, sinkron, dipak dipakai ai berbagai berbagai cara yaitu: yaitu: diputar diputar dengan dengan pengg penggerak erak mula mula kemudian dengan mengerjakan motor sinkron tersebut sebagai motor motor induksi. 7. Pada motor motor sinkron ”linear”, ”linear”, pengatur pengaturan an putaran dilakuka dilakukan n dengan mengatur mengatur ferkuens ferkuensii tegangan sumber. 8. Mengubah Mengubah arah arah putaran putaran m motor otor sinkron sinkron dilakukan dilakukan d dengan engan menukar menukar dua buah buah fasanya fasanya.. 9. Pada motor motor sinkron sinkron ”linear”, ”linear”, pengereman pengereman dilakuk dilakukan an dengan dengan cara regenera regeneratif. tif.

Soal – soal latiha latihan. n.

1. Buatlah Buatlah kesimpulan kesimpulan anda anda tentang tentang penyelesai penyelesaian an contoh contoh soal no.1 no.1 di atas. 2. Dua buah generato generatorr sinkron (alterna (alternator) tor) 750 kW berop beroperasi erasi seca secara ra parallel. parallel. Pengaturan Pengaturan kecepatan alternator yang pertama dari keadaan beban penuh ke keadaan tanpa beban adalah 100 % ke 103 %. Sedangkan alternator yang lain 100 % ke 104 %. Berapakah beban yang harus dipikul masing-masing alternator bila diberikan beban 1000 kW. Dan pada saat  bagaimanakah salah satu mesin berhenti berhenti mensuplai beban. 3. Motor sinkron sinkron 3 ffasa, asa, 6.60 6.600 0 volt, volt, 50 Hz dalam sambungan sambungan bintang bintang menarik menarik arus jala – jala 50 A. Tahanan jangkar dan reaktansi reaktansi sinkron per fasa berturut – turut adalah 1 ohm dan 20 ohm. Hitunglah: a. Daya input aktif 3 fasa pada faktor daya beban tertinggal 0,8.  b. GGL jangkar pada faktor day dayaa beban lagging 0,8 c. GGL jangka jangkarr pada faktor faktor daya beban beban leading leading 0,8

Daftar Pustaka

1. Marappung Marappung.. (1988), (1988), Teori Soal Penyelesaian Penyelesaian Tek Teknik nik Tenaga Tenaga Listrik, Listrik, Armico, Bandung. Bandung. Bab.4, Hal.326. 2. Rijono, Rijono, Y.(1997) Y.(1997),, Dasar Teknik Teknik Tenaga Tenaga Listrik Listrik,, Andi, Andi, Yogyakart Yogyakarta. a. Bab. 2, 2, Hal. 275. 275.

Bacaan Lebih Lanjut

1. Nagrath, Nagrath, I.J., Kothari, Kothari, D.P.(1989 D.P.(1989), ), Electric Machines, Machines, McGraw-Hill McGraw-Hill Publishing Publishing Company Company Limited., New Delhi. Bab 8, Hal. 357.  Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

110

 

 Ir. Antoni Simanjuntak, MT   Mesin Sinkron

111