TEORI DASAR MOTOR SINKRON

TEORI DASAR MOTOR SINKRON 

1. PRINSIP KERJA MOTOR SINKRON 

Kontruksi dari motor sinkron sama dengan kontruksi generator sinkron. Adapun cara kerja motor sinkron dapat diuraikan sebagai berikut : 

Bila kumparan stator atau armatur mendapatkan tegangan sumber bolak-balik (AC) 3 phasa, maka pada kumparan stator timbul fluks magnet putar. Fluks magnet putar ini setiap saat akan memotong kumparan stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul GGL armatur (Eam). Fluks putar yang dihasilkan oleh arus bolak-balik tidak seluruhnya tercakup oleh kumparan stator. Dengan perkataan lain, pada kumparan stator timbul fluks bocor dan dinyatakan dengan hambatan armatur (Ram) dan reaktansi armatur (Xam). 

Kumparan rotor terletak antara kutub-kutub magnit KU dan KS yang juga mempunyai fluks magnet. Kedua fluks magnet tersebut akan saling berinteraksi dan mengakibatkan rotor berputar dengan kecepatan putar rotor sinkron dengan kecepatan putar stator. 

Pada motor DC, GGL armatur besarnya tergantung pada kecepatan putar rotor, sedangkan pada motor AC, GGL armatur besarnya tergantung pada faktor daya (PF) beban yang berupa kumparan stator. 

Untuk memperbesar kopel putar rotor (kecepatan putar rotor), kutub-kutub magnet yang terletak pada bagian rotor dililiti kumparan dan kumparan tersebut dialiri arus listrik DC dan arus ini disebut penguat (Lf). 

Dari kumparan rotor yang ikut berputar dengan kumparan stator (kecepatan sinkron) akan timbul fluks putar rotor yang bersifat reaktif terhadap fluks putar stator. Ini disebut reaktans pemagnet (XM). Reaktans pemagnet bersama-sama dengan reaktans armatur (Xam) disebut reaktans motor sinkron (Xsm). Dengan demikian rangkaian listrik dari motor sinkron adalah seperti tertera pada gambar berikut 

Gambar 1. Rangkaian Listrik Motor Sinkron 

Keterangan: 

- Ram = Hambatan armatur 

- Xsm = Reaktans sinkron 

- Eam = GGL armatur 

- IL = Arus jala-jala 

- Iam = Arus armatur 

- Vt = Tegangan sumber bolak-balik 

- If = Arus penguat medan 

- Rf = Kumparan penguat medan 

Dari gambar di atas berlaku persaman: 

Vt = Iam.Xsm + Iam.Ram + Eam 

Proses terjadinya perputaran rotor karena kumparan stator mendapat sumber arus AC 3 phasa, maka pada kumparan stator timbul fluks putar yang mempunyai kutub utara stator (Ns) dan kutub selatan (Ss). Andaikan saat awal fluks berputar searah jarum jam dengan kedudukan kutub utara stator pada titik A dan kutub selatan stator pada titik B, sedangkan kedudukan kutub-kutub magnet rotor yaitu kutub utara magnet pada titik A dan kutub selatan magnet pada titik B (perhatikan gambar a), maka kedua kutub magnet tersebut akan tolak-menolak. Kedudukan kutub-kutub fluks putar pada setengah periode berikutnya (gambar b), kutub selatan fluks putar stator pada titik A sedangkan kutub utara fliks putar pada titik B. Hal ini berlawanan dengan kedudukan kutub-kutub magnet rotor, yaitu kutub utara rotor pada titik A sedangkan kutub selatan rotor pada titik B. Hal ini membuat magnet rotor akan tertarik oleh arah fluks putar stator karena saling berlawanan tanda. 

(a) (b) (c) 

Gambar 2. Proses Terjadinya Perputaran Motor 

Pada setengah periode berikutnya (ganbar c), kutub utara stator pada titik A sedangkan kutub selatan stator pada titik B, demikian juga kutub utara rotor pada titik A dan kutub selatan rotor pada titik B. Sehingga pada periode berikutnya, rotor akan berputar sinkron dengan arah perputaran fluks stator. 

2. EKSITASI PADA MOTOR SINKRON 

Pada motor sinkron, sifat GGL armatur (stator) yang timbul akibat adanya fluks rotor adalah menentang tegangan sumber Vt. Besar GGL armatur hanya tergantung pada arus eksitasi rotor (tidak seperti pada motor DC yang tergantung pada kecepatan). Dengan adanya GGL armatur (Ea) dan tegangan sumber (V), maka pada armatur timbul tegangan armatur resultan (ER) yang besarnya merupakan jumlah vektor V dan Ea. 

Gambar 3. Motor tanpa beban 

Pada gambar di atas menunjukkan motor berputar tanpa beban dan tanpa adanya rugi-rugi. Dari gambar tersebut terlihat bahwa arah vektor Ea berlawanan dengan arah vektor V dan sama besar atau ditulis V = -Ea. Hasil penjumlahan dari kedua vektor tegangan tersebut adalah ER = 0. dalam keadaan ini, motor bekerja mengambang. 

Gambar 2.4. Motor tanpa beban dengan rugi-rugi 

Bila motor tanpa beban tetapi mempunyai rugi-rugi, maka Ea akan bergeser dengan sudut yang kecil sebesar d terhadap V karena adanya rugi-rugi Ia.Ra dan Ia.Xsm (besar Ea tidak berubah karena eksitasi konstan). 

Gambar 2.5. Motor berbeban 

Apabila moor terbebani, sudut d akan naik menjadi d1, sedangkan ER juga akan naik menjadi ER1 (Ea besarnya tetap karena eksitasi konstan). 

2.1. Efek Eksitasi Konstan 

a. Eksitasi Normal 

Pada kondisi eksitasi normal, motor akan bekerja pada beban lagging. Karena adanya rugi-rugi pada Ram dan Xsm, maka besar Ea = V. 

b. Eksitasi Kurang (under exitation) 

Arus eksitasi (If) yang dibutuhkan oleh motor kurang besarnya terhadap motor yang bekerja pada eksitasi normal. Dalam hal ini, beban motor bersifat induktip. Akibatnya motor bekerja pada faktor dya tertinggal (lagging power factor) atau Ia tertinggal terhadap V. Dalam keadaan ini Ea <> 

c. Eksitasi Lebih (over exitation) 

Jika Arus eksitasi (If) berlebihan besarnya terhadap motor, maka kumparan stator akan menarik arus pemagnet dari sumber listrik. Dalam hal ini, beban motor bersifat kapasitip dan akibatnya motor bekerja pada faktor daya mendahului (leading power factor). Dalam keadaan ini, Ea > V dan disebut motor bekerja pada eksitasi lebih. 

d. Unity 

Untuk Ea > V dan Ia sephasa dengan V, dalam keadaan ini motor mempunyai beban sama dengan satu (unity). 

2.2. Efek Eksitasi Pada Beban Konstan 

a. Penurunan eksitasi 

Gambar 2.6. Penurunan eksitasi 

Bila penurunan eksitasi terjadi, maka Ea akan turun menjadi Ea1 pada sudut beban sama dengan a1. Tegangan resultan ER1 menyebabkan arus Ia1 lagging walaupun magnitude Ia1 > Ia. 

Adapun daya yang dibutuhkan untuk memikul beban sebesar V.Ia. Dalam hal ini, daya motor untuk memikul beban konstan masih kurang karena komponen Ia1 cos q1 <>a sehingga V.Ia1 cos q1 <>a. Akibatnya memerlukan kenaikan sudut beban a1 ke a2. Hal ini menyebabkan kenaikan Ea1 menjadi Ea2 dan kenaikan ER1 menjadi ER2. Konsekuensinya Ia1 naik menjadi Ia2 sehingga didapat Ia2 cos q2 = Ia. Dengan demikian telah dicapai daya armatur yang sama pada motor beban konstan. 

b. Kenaikan eksitasi 

Gambar 2.7. Kenaikan eksitasi 

Efek dari kenaikan eksitasi, Ea naik menjadi Ea1 pada a = a1. tegangan resultan ER1 yang timbulmenyebabkan Ia1 mendahului terhadap Vt yang Ia1 > Ia. Karena itu memerlukan penurunan a1 ke a2 dan diikuti oleh penurunan Ea1 ke Ea2 dan akhirnya diikuti juga dengan penurunan ER1 ke ER2. 

Konsekuensinya, Ia1 turun menjadi Ia2 sampai dengan komponen Ia2 cos q2 = Ia, sehingga daya cukup untuk memikul beban. Jadi pada beban konstan, variasi eksitasi hanya pada sudut beban. 

MOTOR AC - SINKRON 

Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim 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 sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik. 

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. 

Gambar Motor Sinkron.