Mesin Serempak
Fakultas
Program Studi
Teknik
Teknik Elektro
Tatap Muka
Abstract Konstruksi dasar mesin serempak sama dengan mesin tak serempak yaitu terdiri dari belitan stator, rotor dan celah udara.
Kode MK
Disusun Oleh
MK14025
Ir. Badaruddin, MT
Kompetensi
Mempelajari prinsip dasar konversi
energy listrik Mempelajari aplikasi alat – alat konversi energy listrik Di harapkan mahasiswa mempunyai kemampuan memahami prinsip kerja alat konversi energi listrik
Umum Umum Sebagaimana pada mesin arus searah dan mesin tak serempak maka mesin serempak dibagi atas dua macam: 1. Generator serempak (generator sinkron = generator arus bolak balik = alternator yang banyak digunakan pada pembangkit tenaga listrik). 2. Motor serempak (motor sinkron), dapat digunakan untuk memutar/menggerakkan mesin – mesin produksi di pabrik atau industry yang menghendaki putaran tetap. Biasanya harganya mahal dan dipesan khusus. Konstruksi dan mesin serempak baik sebagai generator maupun sebagai motor adalah sama, perbedaan hanya pada prinsip kerjanya. Sebagaimana pada generator arus searah, belitan (kumparan) jangkar di tempatkan pada jangkar (rotor) sedangkan belitan medan ditempatkan pada stator, demikian pula untuk genetaor serempak dengan kapasitas kecil. Akan tetapi pada generator serempak yang digunakan untuk pembangkit dengan kapasitas besar, belitan atau kumparan jangkar ditempatkan pada stator, sedangkan belitan di tempatkan pada rotor dengan alasan: 1. Belitan jangkar lebih kompleks dari pada belitan medan sehingga lebih mudah dan lebih terjamin di tempatkan pada struktur yang diam serta tegar yakni stator. 2. Lebih mudah mengisolasi dan melindungi belitan jangkar terhadap tegangan yang tinggi 3. Pendinginan belitan jangkar mudah karena inti stator yang dibuat cukup besar sehingga dapat diinginkan dengan udara paksa. 4. Belitan medan mempunyai tegangan rendah sehingga dapat efisien bila dipakai pada kecepatan yang tinggi. Pada umumnya generator serempak ukurannya lebih besar dari pada generator arus searah, demikian pula kapasitasnya karena disini tidak diperlukan lagi komutator.
Konstruksi Mesin Serempak Konstruksi mesin serempak baik untuk generator maupun untuk motor terdiri dari: 1. Stator adalah bagian dari mesin yang diam dan berbentuk selinder. 2. Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar juga berbentuk silinder. 3. Celah udara adalah ruangan anatara stator dan rotor. Kostruksi mesin serempak ini dapat dilihat pada gambar 12.1 berikut: 13
‘
2
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
Gambar 12.1 Konstruksi mesin serempak
Konstruksi Stator Konstruksi stator terdiri dari : 1. Kerangka atau gandar dari besi tuang untuk menyangga inti jangkar lihat gambar 12.2 2. Inti jangkar dari besi lunak/baja silicon lihat gambar 12.2 3. Alur /parit/slot dan gigi tempat meletakkan belitan (kumparan) bentuk alur ada yang terbuka, setengah tertutup dan tertutup lihat gambar 12.3 4. Belitan jangkar terbuat dari tembaga, yang diletakkan pada alur, keterangan selanjutnya baca pada sub bab.
13
‘
3
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
Gambar 12.2 kerangka dan inti stator mesin serempak
Gambar 12.3 bentuk slur (slot) jangkar pada stator mesin serempak
Konstruksi Rotor Konstruksi rotor terdiri dari dua jenis : 1. Jenis kutub menonjol (salient pole) untuk generator dengan kecepatan rendah dan medium. Kutub menonjol terdiri dari inti kutub, badan kutub dan sepatu kutub. Belitan medan dililitkan pada badan kutub, pada sepatu kutub juga dipasang belitan peredam (damper winding). Belitan kutub dari tembaga, badan kutub dan sepatu kutub dari besi lunak. 2. Jenis kutub silinder untuk generator dengan kecepatan tinggi, terdiri dari alur – alur yang dipasang kumparan medan juga ada gigi – gigi. Alur dan gigi tersebut atas pasangan – pasangan kutub. Kumparan kutub kedua macam kutub tersebut dihubungkan dengan cincin geser untuk memberikan tegangan arus searah sebagai pengaut medan. Tegangan arus searah dari sumbernya dilalukan melalui sikat, baru diberikan ke cincin geser. Kedua macam kutub tersebut lihat gambar 12.4 dan gambar 12.5 berikut:
13
‘
4
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
Gambar 12.4 penampang rotor untuk jenis kutub menonjol (salient) dengan belitan peredam
Gambar 12.5 penampang rotor untuk jenis kutub silinder
Belitan Jangkar Belitan jangkar yang ada di stator dan selanjutnya di sebut belitan stator di rangkai untuk hubungan tiga fasa yang terdiri atas: 1. Belitan satu lapis (single layer winding) 2. Belitan dua lapis ( double layer winding) Belitan satu lapis bentuknya dua macam: a. Mata rantai (concentric or chain winding) b. Gelombang (wave) Belitan dua lapis bentuknya juga dua macam: a. Jenis gelombang (wave) b. Jenis gelung (lap)
13
‘
5
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
Jarak antara sisi belitan dan cara meletakkan belitan pada alur / slot menimbulkan factor kisar atau factor gawang (factor pitch) dan f actor distribusi (distribution factor). Jenis – jenis belitan tersebut dapat lihat gambar 12.6 berikut:
Prinsip Kerja Generator Serempak Prinsip kerja generator serempak berdasarkan induksi elektromagnetis. Setelah rotor di putar oleh penggerak mula (prime mover), dengan demikian kutub – kutub yang ada pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub di beri arus searah maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnet (garis – garis gaya fluks) yang berputar, kecepatannya sama dengan putaran kutub. Garis – garis gaya fluks yang berputar tersebut akan memotong kumparan jankar yang ada di stator sehingga pada kumparan jangkar tersebut timbul EMF atau GGL atau tegangan induksi. Frekuensi EMF (GGL) atau tegangan induksi tersebut mengikuti persamaan:
Dengan P = banyaknya kutub N = kecepatan putar (rpm) Oleh karena frekuensi dari tegangan induksi tersebut di Indonesia sudah tertentu yakni 50 Hz dan jumlah kutub selalu genap maka putaran kutub/putaran rotor/ putaran penggerak mula sudah tertentu. Besarnya tegangan induksi yang timbul pada kumparan jangkar yang ada di stator akan mengikuti persamaan :
Dengan
= factor kisar, Kd = factor distribusi = frekuensi dalam Hz atau cps = fluks / kutub dalam weber T = banyaknya lilitan / fase = ½ dengan Z adalah banyaknya sisi lilitan perfase, satu lilitan ada dua sisi.
Prinsip Kerja Motor Serempak Prinsip kerja motor serempak karena interaksi dua medan menyebakan torsi yang memutar rotor. Apabila kumparan jangkar yang ada di stator di beri sumber tegangan tiga fase dari jala – jala maka pada kumparan tersebut timbul medan putar seperti pada motor
13
‘
6
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
induksi. Kumparan medan yang ada di rotor di beri arus searah, maka pada permukaan kutub timbul medan magnet yang arahnya dari kutub utara ke kutub selatan. Interaksi antara medan putar pada kumparan jangkar yang ada di stator serta medan magnet antara kutub utara dan selatan yang ada di rotor menyebabkan gaya yang berpasangan dan akan membangkitkan torsi, torsi tersebut akan memutar rotor dengan kecepatan yang sama/sinkron dengan perputaran medan putar stator.
Dengan
m = banyaknya alur/fase/kutub
Prinsip Kerja Generator Serempak Prinsip kerja generator serempak berdasarkan induksi elektromagnetis. Setelah rotor diputar oleh penggerak mula (prmer mover), dengan kutub – kutub yang ada pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub di beri arus searah maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnet (garis – garis fluks) yang berputar, kecepatannya sama dengan putaran kutub. Garis – garis gaya fluks yang berputar tersebut akan memotong kumparan jangkar yang ada dictator sehingga pada kumparan jangkar tersebut timbul EMF atau GGL atau tegangan induksi. Frekuensi EMF (GGL) atau tegangan induksi tersebut mengikuti persamaan:
Dengan P = banyaknya kutub N = Kecepatan putar (rpm) Oleh karena itu frekuensi dari tegangan induksi tersebut diindonesia sudah tertentu yakni 50 Hz dan jumlah kutub selalu genap maka putaran kutub/putaran rotor/putaran penggerak mula sudah tertentu. Besarnya tegangan induksi yang timbul pada kumparan jangkar yang ada di stator akan mengikuti persamaan:
Dengan Kc = factor kisar, kd = factor distribusi
13
‘
7
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
F = frekuensi dalam Hz atau cps = fluks / kutub dalam weber T = banyaknya lilitan / fase = ½ Z., dengan Z adalah banyaknya sisi lilitan per fase, satu lilitan ada dua sisi
Prinsip Kerja Motor Serempak Prinsip kerja motor serempak karena interaksi dua medan menyebabkan torsi yang memutar rotor. Apabila kumparan jangkar yang ada di stator di beri sumber tegangan tiga fase dari jala – jala maka pada kumparan tersebut timbul medan putar seperti pada motor induksi. Kumparan medan yang ada di rotor diberi arus searah, maka pada permukaan kutub timbul medan magnet yang arahnya dari kutub utara ke kutub selatan. Interaksi antara medan putar pada kumparan jangkar yang ada di stator serta medan magnet antara kutub utara dan selatan yang ada di rotor, menyebabkan gaya yang berpasangan dan akan membangkitkan torsi, torsi tersebut akan memutar rotor dengan kecepatan yang sama/sinkron dengan perputaran medan putar stator.
Generator Serempak Berbeban Jika generator serempak belum berbeban maka EMF (E) yang dibangkitkan pada kumparan jangkar yang ada di stator sama dengan tegangan terminalnya (V). Waktu generator berbeban maka EMF (E) tersebut diatas tidak sama dengan tegangan terminalnya (V), tegangan terminal akan bervariasi karena : 1. Jatuh tegangan (voltage drop) karena resistans jangkar (Ra) sebesar I Ra 2. Jatuh tegangan karena reaktans bocor (X L) dari jangkar sebesar (I X L) 3. Jatuh tegangan karena reaksi jangkar sebesar (I Xa). Reaksi jangkar di sebabkan oleh arus beban (I) yang mengalir pada kumparan jangkar, arus tersebut akan menimbulkan medan yang melawan medan utama sehingga seolah – olah jangkar mempunyai reaktans sebesar X a. Reaktans bocor (X L) dan reaktans karena reaksi jangkar (X a) akan menimbulkan reaktans sinkron sebesar (X S) yang mengikuti persamaan berikut: XS = XL + Xa Tegangan pada waktu generator berbeban secara vector akan mengikuti persamaan:
̅ ̅ ̅ ̅( ) Dengan : E = EMF jangkar V = Tegangan terminal 13
‘
8
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
I = Arus beban Ra = resistans jangkar XS = XL + Xa = reaktans sinkron 12.7 Diagram Vektor Generator Serempak Berbeban Diagram vector ini mempunyai besaran – besaran sebagai berikut: E0 = EMF (tegangan induksi) pada waktu beban nol dari jangkar. E = EMF waktu jangkar berbeban atau setelah ada reaksi jangkar E Secara vector kurang dari E0 karena jatuh tegangan sebasar I X a ada kalanya E ini ditulis sebagai E a V = tegangan terminal, secara vector kurang dari E a karena jatuh tegangan sebesar I Z dengan
I = arus jangkar perfase = sudut factor kerja (sudut factor daya atau sudut factor beban) Diagram vector (diagram phasor) dari generator serempak yang berbeban ada 3 macam : Contoh soal 1. Sebuah alternator 3 fase terhubung bintang, 13000 volt, 1500 KVA, 50 cycle. Tahanan jangkar 0,9 ohm dan reaktans sinkron 8 ohm. Tentukanlah tegangan yang dibangkitkan untuk p.f 0,8 (lagging) dan persen pengaturannya. Penyelesaian:
√ ( ) ( )
Jadi E0 = (7505 x 0,8 + 66,62 x 0,9) + j(7505 x 0,6 + 66,62 x 8) = 6064,898 + j 5036,268 = 7882
39,7 0 volt
2. Ketentuan soal seperti soal 1. Hitunglah tegangan yang di bangkitkan dan pengaturan tegangan alternator tersebut apabila : a) Factor daya satu b) Factor daya 0,8 (leading) Penyelesaian :
√ )
13
‘
9
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
Tegangan yang dibangkitkan :
( ) ( ) Jadi () () volt Pengaturan tegangannya :
) () ( ) ( ) () () volt
Pengaturan tegangan :
Daftar Pustaka 1. Hamzah ibrahim,Teknik Tenaga Listrik, andi offset Jogjakarta 2. Zuhal, Dasar Tenaga Listrik, Gramedia 3. Electric machinery 4 th edision AE fitzgerald
13
‘
10
Dasar Konversi Energi listrik Ir. Badaruddin, MT
Pusat Bahan Ajar dan eLearning http://www.mercubuana.ac.id
