49
1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
Kehidupan manusia tidak dapat terlepas dari peran dunia kelistrikan. Hampir keseluruhan penggunaan alat dan teknologi di zaman ini menggunakan listrik sebagi sumber tenaga utama. Perlu diketahui adanya listrik juga tidak serta merta timbul, tetapi juga melalui sebuah sistem pembangkit tenaga listrik. Begitu banyak sistem pembangkit tenga listrik seperti PLTA, PLTU, PLTN, dan lain-lain. Energi listrik didapat dari sistem generator yang bekerja pada sistem pembangkit tenaga listrik tersebut. Hal ini dikarenakan prinsip kerja generator yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Secara umum generator dibagi atas dua jenis generator AC dan DC. Pada generator AC arus yang dihasilkan adalah arus bolak-balik. Perlu diketahui pula bahwa generator AC memiliki nama lain yakni generator sinkron. Arus bolak balik tersebut cukup memberi manfaat yang besar dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu yang membuatnya sangat mudah untuk dimanfaatkan dalam kehidupan sehari hari adalah karena adanya tranformator. Menurut Rijono (1997:10 menyatakan bahwa kemudahan itu dimungkinkan karena dapat mentransformasikan arus bolak-balik, baik menaikkan ataupun menurunkan tegangannya. Dal kehidupan nyata alat pentransformasian tersebut lebih dikenal dengan sebutan trafo.
Mengetahui hal tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa sangat penting untuk mengetahui deskripsi baik dari generator AC (sinkron), motor sinkron, hingga transformator. Oleh karena itu, untuk menambah wawasan pemahaman tentang ketiga hal tersebut, dalam tulisan ini akan dibahas segala yang berkaitan dengan ketiganya baik yang memakai satu fasa ataupun tiga fasa. Proses di dalamnya juga akan dibahas demi memantangkan konsep yang ada dan diharapkan mampu lebih mengembangkan dalam kehidupan nyata.
1.2 Rumusan Masalah
1.2.1 Bagaimanakah konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang terjadi dalam generator AC (sinkron)?
1.2.2 Bagaimana konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang terjadi dalam motor sinkron?
1.2.3 Bagaimana konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang terjadi dalam tranformator?
1.3 Tujuan
1.3.1 Mendiskripsikan konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang terjadi dalam generator AC (sinkron).
1.3.2 Mediskripsikan konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang terjadi dalam motor sinkron.
1.3.3 Mediskripsikan konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang terjadi dalam tranformator.
2. Pembahasan
2.1 Generator Arus Bolak Balik (AC)
2.1.1 Generator AC
a. Definisi
Generator AC adalah salah satu jenis generator yang menghasilkan arus bolak-balik lain halnya dengan generator DC yang menghasilkan arus searah. Generator AC juga disebut sebagai generator altenator atau generator sinkron. Jumlah putaran rotor yang sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator membuat generator ini disebut dengan generator sinkron (Ardiansyah, dkk 2015:4). Sedangkan untuk kecepatannya dapat dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.
Generator AC dan DC memiliki perbedaan yang jelas. Selain dari output keduanya yang berbeda, hal lain yang membedakan adalah prinsip kerja keduanya. Pada generator DC kumparan jangkar terdapat pada bagian rotor dan kutub-kutub terdapat pada bagian stator, sehingga kumparan jangkarlah yang diputar oleh tenaga mekanik. Sedangkan pada generator AC kumparan jangkar terdapat pada bagian stator dan kutub-kutub terdapat pada bagian rotor, sehingga kutub-kutub tersebut diputar oleh tenaga mekanik (Rijono, 1997:209).
Kumparan rotor yang juga berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnet akan diputar oleh tenaga pembagkit. Putaran ini mengakibatkan kumparan rotor akan timbul medan magnet yang bersifat bolak-balik atau putar. Flux putar akan memotong kumparan stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul GGL karena pengaruh induksi. Pengaruh induksi ini juga menghasilkan output arus listrik yang bersifat bolak-balik.
b. Konstruksi dan Bagian-bagian Utama
Secara umum konstruksi dasar dari generator AC dapat dibedakan menjadi dua yakni:
Stator yaitu bagian yang diam dan sebagai tempat keluarnya tegangan bolak-balik.
Rotor yaitu bagian bergerak yang menghasilkan medan magnet yang digunakan untuk menginduksi stator
Gambar konstruksi generator AC secara umum
Menurut Andika (2013:5) stator memiliki beberapa bagian utama diantaranya adalah
Inti stator, bentuknya seperti cincin laminasi-laminasi yang diikat serapat mungkin untuk menghindari rugi arus eddy . Selain itu, juga terdapat slot-slot sebagai tempat untuk meletakkan konduktor dan mengatur arah medan magnet.
Belitan stator, terdiri atas beberapa batang konduktor yang terdapat dalam slot dan ujung-ujung kumparan. Masing-masing slot dihubungkan untuk mendapat tegangan induksi.
Alur stator, bagian yang berperan sebagai tempat belitan stator ditempatkan.
Rumah stator, bagian ini terbuat dari besi tuang yang berbentuk silinder. Bagian belakang biasanya memiliki sirip-sirip sebagai alat bantu proses pendinginan.
Sikat (brush). Bagian yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dari regulator ke rotor coil. Sikat ini memiliki dua jenis yaitu sikap positif yang berhubungan terminal F altenator dan sikat negatif berhubungan dengan bodi altenator dan terminal E.
Menurut Ardiansyah (2015:8) rotor memiliki beberapa bagian utama diantaranya adalah
Slip ring, bagian berbentuk cincin logam melingkar pada poros rotor dan dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor akan dihubungkan ke sumber arus searaha melalui sikat(brush) yang letaknya menempel pada slip ring
Kuparan rotor (kuparan medan). Bagian yang memegang peranan utama untuk menghasilkan medan magnet.
Poros rotor. Bagian yang digunakan sebagai tempat peletakkan kumparan medan. Pada poros ini telah terbentuk slot-slot yang tersusun secara pararel terhadap poros rotor.
Selain bagian-bagian penting tersebut, konstruksi rotor secara umum juga masih dibagi menjadi dua jenis berdasarkan jenis kutub yang digunakan.
Jenis kutub menonjol atau salient pole. Jenis kutub yang menonjol keluar permukaan rotor. Belitan medannya berhubungan seri. Saat belitan medan disuplai oleh eksiter maka kutub berdekatan akan membentuk kutub berlwanan. Jenis ini sangat cocok digunakan untuk generator sinkron dengan kecepatan bawah hingga sedang (120-400 rpm). Alasan penggunaan pada rentang kecepatan tersebut dikarenakan pada konstruksi jenis ini dapat menimbulkan suara bising dan keluaran angina yang besar jika digunakan dengan kecepatan tinggi. Selain itu kekuatannya tidak cukup untuk menahan tekanan mekanis bila diputar dengan kecepatan tingga.
Jenis kutub silinder atau non salient pole. Konstruksinya meletakkan kutub magnet rata terhaap permukaan rotor. Jenis ini terbuat dari baja tempa halus berbentuk silinder dan mempunyai alur-alur yang terbuat di sisi luarnya. Belitan medan disusun seri pada alur-alur sisi luar yang dienerjais oleh eksiter. Jenis ini sangat cocok digunkan untk penggunaan generator kecepatan tinggi (1500-3000 rpm). Hal ini dikarenakan konstruksinya kuat menahan beban mekanik yang baik dan distribusi di sekeliling rotor mendekati gelombang sinus sehingga lebih baik daripada jenis kutub menonjol.
Jenis Salient Pole
Jenis Non Salient Pole
Gambar Konstruksi Utuh Generator AC
c. Jenis pembagian generator AC
Menurut Kusuma (2014:17) generator AC dapat dibagi menjadi dua. Pertama adalah generator 1 fasa. Penggambaran sistem konstruksi generator fasa satu hanya berupa kumpulan satu kumparan yang biasa digambarkan dengan sat ugaris saja. Tiap ujung kumparan fasa biasa ditandai dengan huruf X dan U . Kedua adalah generator 3 fasa. Penggambaran sistem konstruksi terdiri dari tiga kumpulan kumparan dan untuk setiap kumparan disebut lilitan fasa. Pada tiap lilitan fasa (ujung liltan fasa) diberi tanda dengan huruf U-X, V-Y, dan W-Z.
a. Generator AC 3 fasa b. Generator AC 1 fasa
d.Belitan Armatur atau Belitan Jangkar
Menurut Rijono (1997:219) jenis generator AC khususnya pada generator AC 3 fasa, belitan jangkar memiliki dua tipe umum yakni single layer winding dan double layer winding.
Single layer winding (kumparan lapis tunggal)
Dua bentuk pada jenis ini adalah bentuk konsentrik dan bentuk gelombang. Guna mempermudah pemahaman berikut adalah salah satu contoh kumpran lapis tungga dengan bentuk gelombang. Diketahui jika jumlah seluruh slot adalah 12 dan memiliki 4 kutub. Maka jumlah slot per kutub adalah 3. Jika ingin mengetahui jumlah slot per fase per kutub menggunakan rumus berikut:
q= Sm.P
Keterangan:
q = jumlah slot per fase per kutub
m = jumlah slot per kutub
P = jumlah kutub
S = total slot
Berdasarkan rumus tersebut maka dapat ditemukan bahwa jumlah slot per fase per kutub dari jumlah slot, kutub, da slot per kutub di atas adalah 1.
Konstruksi Generator AC 4 Kutub dan 3 Slot Per Kutub
Belitan Armatur Single Layer Wave Wound 4 Pole
Double Layer Winding atau Two Layer Winding (Kumparan Lapis Ganda)
Memiliki jenis yang sama seperti sebelumnya yaitu bentuk konsentrik dan gelombang. Namun, ada beberap hal yang pelru diperhatikan. Pertama, jumlah slot kumparan stator adalah kelipatan dari jumlah kutub dan jumlah fase. Contoh, jika julah kutub 4 dan fase generator adalah 3, maka jumlah slot toal adalah 12. Kemudian dari angka tersebut berlipat ganda menjadi 24, 36, 48, dst. Kedua, jumlah slot untuk kumparan satator sama dengan jumlah kumparan. Misalnya, jumlah slot kumparan stator adalah 12, maka jumlah kumparan pun juga berisi 12 (masing-masing slot memiliki 1 kumparan). Namun jika masing-masing berisi 2 kumparan maka bisa memiliki total kumparan hingga 24.
Konstruksi Generator AC 4 Kutub 24 Slot Lap Winding Double Layer
Berdasarkan gambar tersebut dapat diketahui jumlah slot per kutub dengan rumus .
Yz=SP
Keterangan
Yz : Jumlah slot per kutub
S : jumlah total slot
P : kutub
Adapun jumlah slot per kutub per fase dengan rumus seperti pembahasan sebelumnya ditemukan bahwa untuk 24 slot dan 4 kutub serta 3 fase maka jumlahnya adalah 2 slot per kutub per fase. Sedangkan untuk mengetahui jumlah kelompok kumparan per fase adalah;
kkph=Sm
Keterangan
Kk/ ph = kelompok kumparan per fase
S = jumlah slot
m = jumlah fase
e. Prinsip Kerja
Pada dasarnya prinsip kerja generator sinkron memiliki kesamaan dengan generator DC yaitu berdasarkan induksi elektromagnetik. Juhari (2014: 13) menyatakan bahwa rotor yang telah diputar oleh penggerak mula (prime over) akan menyebabkan kutub-kutub dalam rotor pun berputar. Apabila kumparan kutub disuplai tegangan searah maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnet yang besar putaran kecepatannya sama dengan putaran kutub.
Berdasarkan Hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik bahwa sebuah lilitan diam yang dipotong oleh garis-garis gaya magnet yang berputar pada penghantar itu ataupun sebaliknya, maka akan menimbulkan GGL atau EMF. Besar GGL tersebut dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu kecepatan putaran (n), jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluks (Z), banyaknya fluks magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet (f), dan konstruksi generator (Ardiansyah, 2015: 18). Sedangkan untuk arus yang dihasilkan juga dapat disebut sebagai arus induksi. Arus pada generator sinkron bersifat bolak-balik. Hal ini diakibatkan perubahan yang selalu terjadi pada aliran arus akibat pengaruh perubahan tekanan yang diinduksikan.
Dalam menentukan arah baik arus listrik dan GGL maka dapat digunakan kaidah tangan kanan milik Fleming.
Kaidah tangan kanan Fleming
Berdasarkan gambar tersebut diketahui bahwa ibu jari menyatakan arah gerak F atau perptaran penghantar, jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet pada kutub-kutub, dan jari tengah menyatakan arah arus dan tegangan. Semua arah pada masing-masing jari tersebu saling tegaka lurus (Juhari, 2014: 14). Di samping itu untuk mengetahui frekuensi dari tegangan induksi yang dihasilkan dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
f= p.n120 Hz
Keterangan:
F = frekuensi
p = banyak kutub
n = kecepatan putar (rpm)
2.1.2 Arus dan Tegangan Listrik Generator AC
Dalam penentuan persamaan arus dan tegangan pada generator sinkron, sebenarnya tidak jauh terlepas dari keterkaitan dengan prinsip terbentuknya gaya gerak listrik. Diketahui bahwa GGL sendiri terbentuk akibat peristiwa induksi elektormagnetik yang terkait pada percobaan Faraday (Sari, 2010). Menurut Faraday "Besarnya GGL induksi yang terjadi dalam suatu pengahantar atau rangkaian berbanding lurus dengan kecepatan perubahan flux magnet yang dilingkupinya". Secara matematis pernyataan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.
e= -dθdt
Sedangkan, jika dalam sebuah kumparan memiliki N lilitan maka persamaan menjadi.
e= -Ndθdt
Perlu diketahui bahwa tanda negative tersebut menunjukkan hubungan dengan hukum Lenz.
Perhatikan gambar berikut kumparan dengan lilitan N yang diputar pada suatu sumbu dalam medan magnet homogen.
Ketika kumparan terlihat pada posisi seperti gambar A-B fluks magnet ϕ yang dihasilkan terletak pada posisi maksimum (ϕm). Namun ketika kumparan tersebut bergeser ke kanan sejauh α, maka posisi berubah menjadi A'-B'. Hal ini berimbas pada fluks yang dihasilkan yakni ϕ= ϕmcosα. Sedangkan jika perputaran ataupun pergeseran tersebut deputar dengan kecepatan ω dan perubahan posisi
AB menjadi A'B; ditepuh selama t detik, maka besar sudut α = ω. t. Mengetahui pernyataan tersebut maka fluks magnet yang didapat setiap saat adalah ϕ= ϕmcosω.t. Berdasarkan persamaan tersebut maka GGL induksi setiap saatnya dapat dihitung dengan persamaan berikut.
e=N ϕmsinω.t. ω
Persamaan tersebut jika dikaitkan dengan grafik sinus merupakan persamaan tegangan sesaat.
Persamaan GGL di atas merupakan fungsi sinus, hal ini menurut Sari (2010) mengandung makna bahwa tegangan e (GGL) akan mencapai harga maksimun apabila sinω.t=1. Hal ini juga dapat diperlihatkan dengan grafik sinus dan perlu diketahui bahwa fungsi ini juga berlaku untuk arus listrik.
Grafik Sinus Tegangan Listrik Bolak-Balik
Grafik Sinus Tegangan Listrik Bolak-Balik
ii
i
i
Grafik Sinus Arus Listrik Bolak-Balik
Keterangan
Tegangan
e = Tegangan sesaat (e=Em.sinω.t)
Em = Tegangan maksimal (Em=esinω.t)
-Em = Tegangan minimal
ω = 2n.f = kecepatan sudut
t = waktu (detik)
Arus
i = Arus sesaat (i=Im.sinω.t)
Im = Arus maksimal (Im=isinω.t)
-Im = Arus minimal
ω = 2n.f = kecepatan sudut
t = waktu (detik)
Berdasarkan persamaan dari grafik sinus tersebut maka arus efektif, tegangan efektif, arus rata-rata, dan tegangan rata-rata pun dapat dicari.
Ief=I=Im2=0.707Im Irata-rata=2π Im=0.636 Im
Eef=I=Em2=0.707 Em Erata-rata=2π Em=0.636 Em
Selain persamaan tersebut, ada beberapa faktor yang memberi pengaruh terhadap persamaan tegangan khususnya pada pembentukan persamaan gaya gerak listrik akhir. Pertama adalah faktor bentuk (fb). Faktor ini merupakam perbandingan antara harga efektif dan harga rata-rata.
fb=IefIrt=0,7070,636=1,11
fb=EefErt=0,7070,636=1,11
Kedua adalah faktor puncak. Faktor ini merupakan perbandingan antara harga maksimum dan harga efektif.
fp=ImIef=Im0,707Im=1,414
fp=EmEef=Em0,707Em=1,414
Setelah mengetahui faktor-faktor tersebut, maka perolehan tegangan efektif pada setiap belitan dalam generator untuk satu kali pembangkitan adalah
Eef=E=fb. Ert
Selain itu, faktor pool steck (τ) juga berpengaruh. Pool steck adalah jarak antara dua buah kutub magnet terdekat. Apabila rotor berpuar 2x τ, maka setiap belitan stator mengalami 4x perubahan ϕ. Sehingga dapat disimpulkan bahwa tegangan (GGL) yang dibangkitkan setiap belitan dalam satu kali putaran adalah
e=4ϕ (ϕ dalam weber)
Jika dalam satu detiknya maka dikalikan dengan frekuensi menjadi
e=4.ϕ. f
Atau
Ert=4.ϕ. f
*f= P2.n60 Hz
Sehingga,
Eef=E=fb. Ert
Eef=E=fb. 4.ϕ. f
Diketahui sebelumnya fb (faktor bentuk adalah 1,11), jadi persamaan GGL berubah menjadi
E=1,11. 4.ϕ. f
E=4,44.ϕ. f Volt
Apabila jumlah belitan stator diketahui W, maka persamaan menjadi
E=4,44.ϕ. f. W Volt
Perlu diketahui bahwa persamaan tersebut berlaku jika belitan stator terkonsentrasi. Namun, pada kenyataan yang ada belitan stator kebanyakan terbagi sehingga masih memiliki keterkaitan faktor distribusi. Secara umum faktor distribusi untuk generator fasa tungga adalah 0,8 dan untuk fasa tiga yaitu 0,96.
2.1.3 Faktor Distribusi
Menurut Marselindo (2011) bahwa sebuah kumparan stator pada generator sinkron terdiri atas sejumlah lilitan yang ditempakan pada alur terpisah. Hal ini membuat GGL terminal menjadi lebih kecil dibandingkan dengan kumparan yang telah dipusatkan. Agar mendapatkan total GGL yang dibangkitkan, maka GGL dari kumparan distribusi harus dikalikan dengan sebuah faktor yang disebut faktor distribusi (kd) untuk kumparan. Besarnya faktor distribusi selalu kurang dari satu.
Demi memahami maksud dan memperjelas tentang faktor distribusi, Rijono (1997: 227) menjelaskan contoh detail dalam mencari faktor distribusi. Diberikan contoh terdapat generator sinkron 3 fasa yang memiliki 4 kutub. Setiap fasa memiliki 12 slot, maka total slot keseluruhan adalah 36 slot. Dengan kata lain, jumlah slot yang dikenai setiap kutub terdapat 9 slot dan jumlah slot per kutub per fasa adalah 3. Dalam mengetahui jumlah slot per kutub per fasa dapat pula digunakan rumus =Sm.p . Dimana S asalah jumlah slot keseluruhan, m adalah jumlah fasa, dan p adalah jumlah kutub.
Konstruksi Kumparan Stato
Berdasarkan keterangan sebelumnya dan contoh bentuk konstruksi kumparan stator seperti gambar di atas, dijelaskan bahwa kumparan 1, 2, 3 pada fase U-X tidak terikat dalam satu slot yang terikat. Ketiganya berada pada tiga slot berbeda. Besar pergerseran sudut (L0) antar slot yang berdekatan dapat dicari dengan persamaan berikut.
d= 1800LS/p
Keteranagan:
d = besar pergeseran sudut antar slot
S = jumlah slot total
P = jumlah kutub
Jika dikaitan dengan beberapa hal yang telah diketahui di atas maka, generator AC dengan total 36 slot dan 4 kutub dinyatakan memiliki besar d senilai 200L. Bentuk pergeseran sudut antar slot yang telah terjadi dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambaran Pergeseran Tiga Kumparan sebesar 200L
Dalam gambar tersebut terdapat E yang merupakan lambsng dari GGL armatur total. Jika tiga kumparan tersebut terikat dalam satu slot maka GGL armataur total didapat dari GGL masing-masing slot (Es) yang seluruh arahnya lurus spserti penggambaran dalam satu fase.
Es1 Es2 Es3
Jika terlihat seperti gambar di atas maka total dari E adalah 3Es. Namun, pada kenyataan yang ada bahwa letak tiga kumparan tersebut memiliki pergeseran sudut yang besarnya 200L, maka perhitungan perolehan GGl total pun memiliki persamaan tersendiri yaitu.
E= Es . Cos 200 + Es + Es.Cos 200
E= 2,88 Es
Berdasarkan seluruh uraian tersebut untuk memperoleh faktor distribusi dapat digunakan persamaan sebagai berikut.
kd= GGL kumparan terdistribusiGGL kumparan terikat dalam 1 slot
Sesuai dengan hasil perhitungan sebelumnya diketahui bahwa besar GGL kumparan terdistribusi sebesar 2,88 Es dan besar GGl kumparan yang terikat dalam satu slot adalah 3 Es. Sehingga besar kd adalah.
kd= 2,88 Es3Es=0,968
Dalam kasus umum yang lain perolehan faktor distribusi dapat diketahui dengan persamaan berikut.
kd= Sin (q.d2)q Sin (d2)
Keterangan:
q = jumlah slot per fase per kutub
d = lebar slot (pergeseran slot) 0L
Dengan demikian adanya faktor distribusi dan pitch factor akan sedikit merubah persamaan GGL atau tegangan generator sinkron yakni sebagai berikut.
Ea/ph=4,444 f Wϕ kd kp VOLT
*kp untuk full pitch adalah 1
2.1.4 Pitch Factor
Menurut Rijono (1997:225) pitch factor atau bentangan kumparan untuk jenis belitan baik konsentrik ataupun gelombang menempati satu bentangan penuh atau disebt sebagai full pitch. Bentangan kumparan ini terletak dalam satu bentangn kutub selebar 1800. Sebagai contoh perhatikan gambar berikut.
Gambar tersebut menunjukkan kumparan dengan full pitch (pada garis biru). Sedangkan yang terdapat pada garis merah adalah kumparan dengan slot yang diperpendek 1 slot sehingga kumparan hanya menempati slot 1-6. Secara otomatis slot yang diperpendek akan berdampak pada perubahan luas bentangan kumparan, untuk mengetahui hal tersebut dapa digunakan persamaan berikut.
α= Jumlah pengurangan slotJumlah slot bentangan penuh × 1800
Berdasarkan persamaan tersebut maka α dari pengurangan satu slot dapat diketahui yaitu.
α=16×1800L
α= 300L
Sedangkan untuk mengetahui faktor kependekan (pitch factor) dapat digunakan persamaan berikut.
kp=Cos. α/2
Menurut perhitungan sebelumnya bahwa α dari pengurangan satu slot adalah 300 L. maka dapat diperoleh kp sebesar 0.966.
Selain persamaan tersebut bisa digunakan cara lain. Pengurangan satu slot dapat juga diartikan dengan symbol angka 5/6. Angka 5 menunjukkan lebar bentangan kumparan yang diperpendek. Sedangkan lebar bentangan penuh setelah mengalami perpendekan ditunjukkan dengan angka 6. Berdasarkan apa yang diketahui tersebut pencarian fakor kependekan dapat dicari dengan persamaan lain, yakni.
p= Yz1 ×d
dan
kp=Sinp/2
Keterangan
Yz1 = lebar bentangan kumparan yang diperpendek
d = α (bentangan kumparan diperpendek)
2.1.5 Tegangan Jepit
Tegangan jepit sangat erat kaitannya dengan peristiwa GGL. Jika pada GGL didefinsiskan sebagai bedal potensial antara ujung-ujung kutub seumber arus listrik ketika sumber arus listrik tidak mengalirkan arus listrik. Sedangkan tegangan jepit adalah beda potensial antara ujung-ujung kutub sumber arus listrik ketika sumber arus listrik telah mengalirkan arus listrik (materi.mafiaol.com 2013)
2.1.6 Reaktansi Sinkron
Menurut (repository.usu.ac.id) reaktansi sinkron dapat diasumsikan dari reaktansi yang ditimbulkan dari reaksi jangkar. Saat generator sinkron bekerja pada beban nol dan tidak ada arus yang mengalir pada kumparan jangkar, sehingga pada celah udara hanya fluksi arus medan motor. Namun ketika diberi beban maka arus jangkar akan mengandung Ia dan membentuk fluksi jangkar. Fluks tersebut mempegaruhi fluksi medan dan akhirnya menyebabkan perubahan harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian disebut sebagai reaksi jangkar. Berikut gamabra model reaksi jangkar tersebut.
Keterangan.
Tegangan induksi EAmx dihasilkan akibat medan magnet yang berputar
Saat berbeban induktif maka tegagan resultan menghasilkan arus lagging.
Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan Estat pada belitan stator.
Vektor penjumlahan Bs dan Br akan menghasilkan Bnet dan penjumlahan Estat dan EAmx akan menghasilkan Vɸ pada outputnya.
Perlu diketahui bahwa fluksi pada jagnkar akan memberikan pengaruh baik berupa penguatan ataupun pelemahan fluksi arus medan. Perbedaan pengaruh ini tergantung pada faktor daya bebannya yakni
Beban resistif (Cos φ=1)
Beban induktif (Cos φ=0 lag)
Beban kapasitif murni (Cos φ=0 lead)
Beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Apabila ingin mengetahui bentuk vektoris dari pengaruh daya beban tersebut dapat dilihat pada gambar berikut.
PF = 1
PF = lagging
PF = leading
2.1.7 Generator AC Tanpa Beban dan Berbeban
Generator AC Tanpa Beban
Dikatakan sebagai generator sinkron tanpa beban, jika sebuah generator tersebut diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If). Namun, dalam keadaan ini arus armatur (Ia) tidak mengalir pada stator sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Hal ini menurut Rijono (1997:211) mengandung arti bahwa Ia = 0 yang mana tegangan terminal diperoleh sebesar Vt = Ea = E0. Oleh karena itu, besar GGL armatur merupakan fungsi dari flux magnet sehingga dapat dituliskan seperti berikut.
Ea=f (ϕ)
Atau dapat diartikan juga bahwa tegangan tanpa beban yang diinduksikan pada kumparan jangkar stator adalah (E0). Sehingga tegangan tersebut juga dapat dihitung dengan persamaan berikut.
E0=4,44. kd. kp. f W. ϕ
Mengetahui bahwa hanya arus medan (If) saja yang bekerja sehingga fluks pun dihasilkan dari arus medan tersebut. Apabila arus medan tersebut diatur besarnya (besarnya dinaikkan), maka hal ini akan berdampak pula pada tegangan keluaran. Tegangan keluaran yang dihasilkan akan naik bahkan hingga titik jenuh (saturasi). Berikut adalah grafik hubungan antara arus medan If dan tegangan keluaran Ea.
Sedangkan gambar rangkaian ekuivalen dari generator sikron tanpa beban adalah sebagai berikut.
RsRs
Rs
Rs
XlXl
Xl
Xl
IfIfIa = 0Ia = 0
If
If
Ia = 0
Ia = 0
RfRfVVEa = E0Ea = E0
Rf
Rf
V
V
Ea = E0
Ea = E0
Apabila ditinjau secara vektoris besar GGL armatur tanpa beban (E0) yang dipengaruhi oleh faktor daya beban (PF) dapat dibagi menjadi tiga yakni
Pf = 1 (artinya arus jangkar I sefasa dengan V)
Pf = 1 juga dapat diartikan bahwa cosφ=1, sehingga arc. cosφ=00. Sudut dengan besar 00 menadakan bahawa I dan V berada dalam satu garus lurus (sefasa). Agar dapat diperolah besar E0 maka dapat digunakan persaman phytagoras mengingat grafik vektor tersebut berbentuk segitiga. Sehingga persamaan dapat dituliskan sebagai berikut.
E0= (V+IaRa)2+(I. Xs)2
Keterangan
E0 = GGl armature tanpa beban
V = tegangan output
Ia = arus jangkar
Ra = hambatan jangkar
I.Xs = arus reaktan sinkron
Pf = lagging (mengikuti)
Faktor daya beban lagging atau mengikuti dapat diartikan bahwa arus I pergerakannya telah mengalami pergeseran sejauh φ yang mana I bergerak mengikuti V.
CC
C
C
DD
D
D
EE
E
E
BBAAOO
B
B
A
A
O
O
Pada dasarnya untuk mengetahui besar E0 juga menggunakan persamaan phytagoras. Berdasarkan gambar tersebut dapat diketahui tahapa-tahapan perolehan rumus utuh untuk mencari E0.
Cosφ= OAOD, sehingga OA=Cos φ. OD atau dapat dituliskan OA=Cos φ. V. Sedangkan Sinφ= ADOD, sehingga AD=Sinφ. OD atau dapat dituliskan AD=Sinφ. V. Posisi AD = EB = Sinφ. V dan posisi AB = DE = Ia.Ra. Nilai E0 sama dengan nilai OC yang diperoleh dari persamaan phytagoran segitiga OCB, sehingga,
OC= OB2+BC2
OC= (OA+AB)2+(BE+EC)2
E0= (Cos φ. V+Ia.Ra)2+(Sinφ. V+I.Xs)2
Pf = leading (mendahului)
Faktor daya beban mendahului diartikan bahwa arus I mengalami pergeseran gerak sejauh φ dan bergerak mendahului V.
EEDDOO
E
E
D
D
O
O
CCBB
C
C
B
B
AA
A
A
Sama halnya dengan cara memperoleh persamaan E0 pada pembahasan pf = lagging. Cosφ= OEOA, sehingga OE=Cosφ. OA atau dapat dituliskan OE=Cosφ. V. Sedangkan Sinφ= AEOA, sehingga AE=Sinφ. OA atau dapat dituliskan AE=Sinφ. V. Nilai AE = BD = Sinφ. V dan nilai ED = AB = Ia.Ra. Berdasarkan berbagai penjelasan tersebut, maka dapat diketahui bahwa nilai E0 memiliki kesamaan dengan nilai OC, sehingga persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut.
OC= OD2+DC2
OC= (OE+ED)2+(DB-BC)2
E0= (Cos φ. V+Ia.Ra)2+(Sinφ. V-I.Xs)2
Adapun cara untuk memperoleh impedansi sinkron (Zs) adalah melalui persamaan berikut.
Zs= Ra2+Xs2
Dalam mencari impedansi sinkron dapat pula digunakan persamaan berikut.
Zs= Ra+J (Xs)
Dimana J adalah bilangan khayal atau imajiner yang besarnya -1.
Generator AC berbeban
Menurut Rijono (1997:212) menyatakan bahwa pada generator jenis ini terdapat beban yang terpasang pada output generator sinkron. Hal ini menyebabkan arus armatur (Ia) mengalir pada kumparan jangkar dan menimbulkan flux putar jangkar. Namun, perlu diketahui juga flux putar tersebut bersifat mengurangi atau menambah flux putar yang dihasilkan oleh rotor. Hal ini seperti yang dikatan oleh Marselindo (2011), selain berdampak pada timbulnya flux jangkar, tegangan terminal yang dihasilkan pun dapat berubah-ubah. Perubahan tersebut diakibatkan oleh rugi tegangan yang terjadi pada :
Resistansi jangkar Ra
Resistansi jangkar atau Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang atau fasa dan I.Ra memiliki posisi sefasa dengan arus jangkar (Ia).
Reaktansi bocor jangkar (XL)
Arus yang mengalir pada penghantar jangkar tidak sepenuhnya mengimbas pada jalur yang telah ditetapkan. Akhirnya terjadi kebocoran dan hal fluks tersebut juga disebut fluks bocor.
Reaktansi jangkar
Sama seperti pernyataan sebelumnya bahwa arus yang mengalir pada kumparan jangkar akan menimbulkan flux jangkar ϕA dan arus yang dihasilkan rotor akan menimbulkan fluks rotor ϕF. Keduanya dapat berintraksi sehingga dapat dihasilkan fluksi resultan yakni
ϕR= ϕA+ϕF
Interaksi keduanya disebut sebagai reaksi jangkar. Namun reaktansi jangkar yang sebenarnya masih terdapat pembagian yang mana dipengaruhi oleh faktor daya beban.
aa
a
a
bb
b
b
cc
c
c
dd
d
d
Diagram Pengaruh Faktor Daya Beban terhadap Interaksi Reaktansi Jangkar
Gambar a, menunjukkan bahwa faktor daya beban (pf) = 1. Hal ini diartikan bahwa arus armature sefase dengan tegangan beban. Pada keadaan ini flux putar armature tertinggal 900 terhadap flux putar rotor. Akibatnya interksi kedua flux tersebut menghasilkan flux baru yang cacat. Kecacatan ini juga berdampak pada tegangan keluaran yang mana juga menghasilkan sinyal flux dalam keadaan tidak murni. Keadaan seperti ini hendaknya segera dihindari.
Gambar b, menunjukkan bahwa faktor daya beban tertinggal
(PF) = 0. Hal ini menunjukkan bahwa arus armature tertinggal 900 terhadap tegangan. Keadaan ini membuat flux putar jangkar berbeda fase hingga 1800 terhadap flux putar rotor. Dampak dari peristiwa ini adalah pengurangan besar yang terjadi pada flux rotor atau disebut dengan demagneisasi. Jika peristiwa itu benar terjadi, maka akan menyebabkan besar GGl armatur akan berkurang. Agar GGl armature besarnya tetap, maka arus penguat medan (If) harus diperbesar.
Gambar c, faktor daya beban (PF =0) mendahului, berarti arus armature mendahului 900 terhadap tegangan beban. Hal ini menyebabkan flux putar armatur sefase dengan flux putar rotor. Akibat interaksi kedau flux tersebut, dihasilkan flux baru bertambah besar terhadap flux rotor. Proses ini disebut proses magnetisasi yang menyebabkan GGl armature timbul bertambah besar. Demi menjaga GGL armature tetap besar, maka hendaknya arus penguat diperkecil atau dikurangi.
Gambar d, menunjukkan bahwa faktor daya beban menengah. Maksudnya adalah beda fase antara arus armatur dan tegangan beban 0 sampai 900 mendahului ataupun sebaliknya tertinggal. Keduanya memiliki nama berbeda yakni faktor daya menengah mendahului untuk arus armature dan tegangan beban 0 – 90 mendahului dan faktor daya menengah tertinggal untuk arus armature dan tegangan beban 0 -90 tertinggal. Pada bagian mendahului flux armatur yang timbul akan bergeser ke kanan terhadap flux rotor. Akibatnya timbul peristiwa dimagnetisasi sebagaian dan bentuk sinyal GGL yang dihasilkan sedikit cacat.
Flux putar armatur yang timbul ternyata berpengaruh pada timbulnya reaktans pemagnit (Xm) pada kumparan. Reaktans pemagnit ini bersama dengan reaktans bocor (XL) dapat membentuk sebuah reaktans sinkron (Xs). Berikut bukti persamaannya.
Xs= Xm+ XL
Dengan adanya persamaan tersebut maka, secara umum bentuk rangkaian listrik generator berbeban adalah sebagai berikut.
Xs = XL + XmXs = XL + XmRaaRaaIfIf
Xs = XL + Xm
Xs = XL + Xm
Raa
Raa
If
If
ZlZlVtVtEaEaIaIaRfRf
Zl
Zl
Vt
Vt
Ea
Ea
Ia
Ia
Rf
Rf
Diketahui pada jenis generator ini kumparan armatur akan timbul Ia dan Xm pengaruhnya akan menyebabkan penurunan GGL tenpa beban. Hal ini juga berpengaruh terhadap perubahan GGL outuput Eo menjadi Ea
dengan persamaan Ea= E0-j IaXm dan tegangan menjadi Vt. Jika penggambaran secara vektoris dan pegaruhnya dari faktor daya pembebanan, maka dapat digambarkan sebagai berikut.
Dikarenakan Ea= E0- IaXm,
maka persamaan yang diperoleh
berdasarkan gambar di samping
adalah
Ea= (Vt+IaRa)2+(I. XL)2
Pada PF=1, maka arus listrik
dikatakan sefasa dengan tegangan.
Dasar pembentukan rumus berdasarkan gambaran vektor, tidak jauh berbeda dari penentuan rumus pada gambaran vektor generator sinkron tanpa beban. Intinya terdapat pada penentuan phytagoras segitia, hanya saja karena pengaruh penuruan Eo sehingga yang digunakan dalam persamaan bukanlah I.Xs, melaikan I.XL
PF tertinggal diartikan bahwa arus
dan tegangan memiliki pergeseran
sudut sebesar φ yang mana tegangan
bergerak mendahului arus, sehingga
ditemukan persamaan berikut.
Ea= (Cos φ. Vt+Ia.Ra)2+(Sinφ. Vt+I.XL)2
PF mendahului dapat diartikan
Pergerakan pergeseran arus
Mendahului tegangan, sehingga
Ditemukan persamaan berikut
Ea= (Cos φ. Vt+Ia.Ra)2+(Sinφ. Vt-I.XL)2
Adapun cara memperoleh impedansi armatur (Za) adalah sebagai berikut.
Za= Ra2+Xl2
2.1.8 Generator AC Hubungan Bintang dan Segitiga Beserta Analisis Arus dan Tegangan Listrik
Generator AC hubungan bintang memiliki arti bahwa kumparan-kumparan besar dihubungkan secara bintang. Kumparan-kumparan tersebut dihubungkan dengan plat seperti pada gambar berikut.
Apabila dianalisis dengan diagram maka akan menjadi seperti berikut.
Masing-masing U,V,W dihubungkan dengan R,S,T sehingga diagramnya menjadi seperti di bawah ini,
Jika dianalisis arus dan tegangan listriknya,maka,
(Il) arus luar = arus dalam (Ia), sedangkan
(El) tegangan luar > tegangan dalam (Ea), sehingga:
Ia1 = Il1 = IR Ea1 = El1 = ERS = Ea 3
Ia2 = Il2 = IS Ea2 = El2 = EST = Ea 3
Ia3 = Il3 = IT Ea3 = El3 = ERT = Ea 3
Sedangkan pada generator hubungan segitiga yang dimaksud adalah kumparan-kumparan besar dihubungkan dengan plat secara segitiga (delta) seperti gambar berikut.
Jika diubah dalam diagram akan menjadi seprti berikut.
Analisis arus dan tegangan untuk hubungan delta adalah sebagai berikut.
(Il) Arus Luar > Arus Dalam (Ia), sedangkan
(El) Tegangan Luar = Tegangan Dalam (Ea), sehingga:
IR = Il1 = Ia1 3 Ea1 = El1 = ERS
IS = Il2 = Ia2 3 Ea2 = El2 = EST
IT = Il3 = Ia3 3 Ea3 = El3 = ERT
2.1.9 Tenaga Listrik Generator Sinkron
Tenaga listrik generator sinkron ditentukan oleh sifat-sifat beban kerja. Bagi generator sinkron satu fasa dalam mencari daya output menggunakan persamaan berikut.
Po= Vt. Ia. cosφ
Sedangkan untuk generator sinkron tia fasa adalah sebagai berikut.
Po= 3Vt. Ia. cosφ
Keterangan.
Po = daya output beban penuh
Ia = arus jangkar per fasa
Vt = tegangan terminal per fasa
cosφ = faktor daya.
Apabila ditinjau kembali kaitannya terhadap hubungan dengan sambungan bintang dan segitiga maka untuk memperoleh tenaga atau daya output adalah sebagai berikut.
a. Hubungan Segitiga atau Delta
(Il) Arus Luar > Arus Dalam (Ia), sedangkan
(El) Tegangan Luar = Tegangan Dalam (Ea), sehingga:
IR = Il1 = Ia1 3 Ea1 = El1 = ERS
IS = Il2 = Ia2 3 Ea2 = El2 = EST
IT = Il3 = Ia3 3 Ea3 = El3 = ERT
menghitung daya output (Po)
Po = 3.Vt.Ia.Cos φ
Vt = Vl
Il = Ia 3
Ia = 1/3 3.Il
Maka:
Po = 3.Vt.Ia.Cos φ
Po = 3.Vl. 1/3 3.Il.Cos φ
Po = Vl.Il. 3.Cos φ
b. Hubungan Bintang
(Il) arus luar = arus dalam (Ia), sedangkan
(El) tegangan luar > tegangan dalam (Ea), sehingga:
Ia1 = Il1 = IR Ea1 = El1 = ERS = Ea 3
Ia2 = Il2 = IS Ea2 = El2 = EST = Ea 3
Ia3 = Il3 = IT Ea3 = El3 = ERT = Ea 3
menghitung daya output,
Po = 3.Vt.Ia.Cos φ
Ia = Il
Vl = Vt 3
Vt = 1/3. 3.Vl
Po = 3.1/3. 3.Vl.Il. Cos φ
Po = Vl.Il. 3.Cos φ
2.2 Motor Sinkron
2.2.1 Motor Sinkron dan Daya Motor Sinkron
a. Definisi
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.
b. Konstruksi dan Bagian-Bagian Utama
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.
Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok. (Wirabuana, 2010).
Perlu diketahui juga bahwa motor ini berputar dengan kecepatan sinkron dan diberikan persamaan untuk menghitungnya yakni
Ns = 120 f / P
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub
c. Prinsip Kerja
Perhatikan gambar tersebut. Gambar di atas jelas 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 (d). Semakin besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi yang dihasilkan akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.
T = k .BR .Bnet sin d
Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu kumparan medan . Setiap penambahan beban membuat medan motor "tertinggal" dari medan stator, berbentuk sudut kopel (d); untuk kemudian berputar dengan kecepatan yang sama lagi. Beban maksimum tercapai ketika d = . 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).
d. Macam-Macam Daya Motor Sinkron
Menurut Rijono (1997:289) daya motor sinkron memiliki beberapa macam. Hal ini diawali dengan mengetahui besar daya aktif armatur per fase yaitu
Pam/phaktif= Eam Iamcosα
Sedangkan daya armature tiga fase dapat menggunakan persamaan berikut
Pam3ph= 2πNsT33000 746
untuk daya input dapat menggunakan persamaan
Pin=Rugi Cu+Pam
Atau
Pinph=rugiCuph+Pamph
Pamph=Pinph-rugiCuph
Pamph=VtILCos θ-Ia2Ra
Setelah membahas daya aktif armature per fase, kemudian beralih pada motor sinkron tiga fase dengan sambungan bintang. Berikut persamaan daya armaturnya (Pam).
Tegangan terminal Vt= Vl/3 , sedangkan arus jala-jala sama dengan arus fase IL= Iph= Ia. Sehingga besar daya armaturnya adalah.
Pamph=VL3ILCosθ-Ia2 Ra
Sedangkan untuk motor sinkron tiga fasa sambungan delta, besar VL= Vph= Va. Namun untuk arus adalah IL= 3 Ip=3 Ia, sehingga daya armaturnya adalah
Pamph=VL3IphCosθ-Ia2 Ra
Untuk mengetahui besar kopel elektromagnetik dapat menggunakan persamaan berikut.
Ta=21,21 Eam IamCosαNs lb.ft
Atau
Ta=9,55PamNs N.m
Adapun hubungan daya armature dengan daya mekanik adalah
Pam=Po+ rugi
Korelasi antara kopel sumbu dan daya mekanik adalah
Ts= Pm/2πns
atau
Ts= 746Po/2πns
2.2.2 Motor Induksi
a. Definisi
Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor.
b. Konstruksi
Diketahui bahwa motor induksi tergolong dalam motor asinkron. Mesin ini memiliki dua jenis secara umum yakni squirrel cage (sangkar tupai) dan wound motor (rotor belitan).
Namun pada dasarnya konstruksi motor induksi terdiri atas stator dan rotor (Rijono, 1997:311).
Stator
Pada bagian ini terdapat beberap slot yang merupakan tempat kawat (konduktor) dari tiga kumparan yang disebut kumparan stator, yang mana masing-masing kumparan mendapat suplai arus tiga fase. Akibatnya timbullah fluks magnet putar dan menyebabkan rotor berputar karena adanya induksi magnet.
Rotor
Bagian ini merupakan tempat kumparan rotor yang mana ampu bergerak atau berputar. Berdasarkan jenis yang telah disebutkan di atas maka hampir 90% menggunakan jenis squirrel cage. Hal ini disebabkan bentuknya yang sederhana dan tahan terhadap goncangan. Ciri khususnya yakni ujung-ujung kumparan rotor terhubung singkat secara permanen.
c. Prinsip Kerja
Menurut (staff.ui.ac.id) prinsip kerja berdasarkan percobaan induksi seperti gambar berikut.
Dimana arus listrik yang dialirkan dalam suatu medan megnet dengan kerapatan fluks akan menghasilkan suatu gaya magnet. Pernyataan ini juga telah dijelaskan dalam persamaan yang tertulis dalam gambar tersebut.
Kemudian apabila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator maka pada kumparan stator akan timbul medan putar dengan kecepatan.
Medan magnet tersebut akan memotong konduktor yang terdapat pada sisi rotor akhirnya akan timbul ggl dengan persamaan berikut.
Untuk membangkitkan tegangan induksi E2s agar tetap ada, maka diperlukan adanya perbedaan realtif antara kecapatan putar stator dengan kecepatan putar rotor. Sehingga secara matematis dapat dicari dengan persamaan berikut.
Jika ns = nr tegangan akan terinduksi tetapi arus tidak dapat mengalir sehingga tidak ada torsi yang dihasilkan. Agar torsi dapat dihasilkan maka ns > nr
2.3 Transformator
2.3.1 Definisi, Konstruksi, dan Prinsip Kerja
Definisi
Arus bolak-balik banyak dipakai dalam keperluan sehari-hari, hal ini disebabkan karena pentransformasian arus bolak-balik tersebut sangat mudah. Sehingga tegangannya dapat diatur untuk dinaikkan ataupun diturunkan. Alat yang digunakan disebut transformator atau biasa disebut sebagai trafo. Menurut Rijono (1997:1) trafo adalah alat listrik yang mampu memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih dari sebuah rangkaian listrik satu ke yang lainnya, melalui gandengan magnet berdasar atas prinsip induksi elektromagnetik. Sedangkan menurut Hanif (2014) trafo merupakan salah satu peralatan listrik yang termasuk dalam klasifikasi mesin listrik statis yang berfungsi dalam penyaluran tegangan dari yang tinggi ke rendah ataupun sebaliknya dengan frekuensi yang sama.
Secara umum, dalam pengoperasiaanya trafo-traf tenaga ditanahkan pada titik netral, sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengaman atau proteksi. Misalnya, terdapat trafo 150/70 kV ditanahkan langsung pada sisi netral 150 kV dan pada trfo 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan sisi netral 20 kV. Trafo yang telah diproduksi harus melalui pengujian standart yang telah ditetapkan.
Perlu diketahui pula terdapat beberapa pengklasifikasian trafo. Berdasarkan frekuensi kerja trafo dibedakan atas trafo daya (50-60 Hz), trafo pendengaran (20 Hz – 20 KHz), trafo MF (455 KHz), trafo RF (>455 KHz). Sedangkan pengelompokkannya dalam bidang tenaga listrik dibedakan atas trafo daya, trafo distribusi, trafo pengukuran.
Konstruksi dan Bagian-Bagian Utama Transformator
Konstruksi transformator pada umunya terdiri dari kumparan primer dan sekunder yang dibelitkan pada inti feromagnetik. Menurut Permatasari, dkk (2015:3) konstruksi transformator dapat diagambarkan sebagai berikut.
Pada gambar tersebut terlihat terdapat Np yang merupakan jumlah lilitan primer dan Ns jumlah lilitan sekunder. Sedangkan Vp adalah tegangan primer dan Vs adalah tegangan sekunder. Jika dalam bentuk asli trafo dapat digambarkan sebagai berikut.
Apabila ditinjau dari bagian-bagian utamanya, transformator memmiliki beberapa bagian utama yakni.
Kumparan primer yang bertindak sebagai input
Kumparan sekunder yang bertindak sebagai output
Inti yang terbuat dari lembaran-lembaran plat besi lunak atau baja silicon yang diklem menjadi satu. Berfungsi memperlancar jalannya fluks yang ditimbulkan oleh aliran listrik.
Kumparan tersier. Digunakan untuk memperoleh tegangan tersier atau untuk kebutuhan lain. Biasanya kumparan ini dihubungkan secara delta atau segitiga.
Minyak transformator. Menurut Permatasari, dkk (2015:9) sebagian besar trafo tenaga khususnya pada kumparan dan intinya biasanya direndam dalam minyak trafo. Terutama yang berkapasitas besar dengan alasan minyak tersebut mempunyai sifat sebagai pemindah panad dan bersifat pula sebagai isolasi sehingga bisa dikatakan pua sebagai media pendingin.
Bushing. Merupakan sebuah penghubug berbahan konduktor yang diselubungi oleh isolator dan berfungsi sebagai penyekat antara konduktordengan tangki transformator.
Tangki dan konservator. Pada trafo yang terendam minyak biasanya minyak tersebut ditempatkan dalam tangki
Perlu diketahui pula bahwa menurut Rijono (1997:5) bahwa kedua kumparan tidak terhubung secara fisik melainkan terdapat perantara di keduanya berupa garis gaya magnet (flux magnet) yang nantinya akan dibangkitkan oleh aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer.
Prinsip Kerja Transformator
Diketahui bahwa transformator memiliki dua kumparan yakni primer dan sekunder. Keduanya terpisah secara fisik, tetapi dihubungkan secara megnetis. Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, maka akan timbul medan magnet atau fluks. Medan magnet yang timbul diperkuat dengan adanya inti besi. Kemudian dihantarkan menuju kumparan sekunder (Permatasari, 2015: 10)
Efek ini dinamakan dengan induktansi timbal balik (mutual inductance) khususnya terjadi pada kumparan sekunder. Kemudian mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetis). Pada dasarnya dapat disimpulkan dalam satu transformator terjadi peristiwa induksi bersama antara dua rangkaian yang dihubungkan dengan fluks magnet.
2.3.2 Transformator Tanpa Beban dan Berbeban
a. Transformator tanpa beban
Dikatakan tanpa beban dikarenakan kumparan sekunder dalam keadaan terbuka (open circuit).
Menurut Rijono (1997:6) arus io yang terlihat pada gambar mengalir sangat kecil pada kumparan primer. Arus ini disebu juga arus penguat yang terdiri dari arus pemagnet iM dan arus tembaga ic. Arus iM menimbulkan fluks magnet bersama yang menyebabkan timbulnya rugi histeris dan rugu eddy current. Sedangakan arus tembaga ic hanya menimbulkan rugi tembaga.
Hubungan antara io , iM, ic dalam diagram fluks dan tegangan dapat dilihat pada gambar berikut.
E1E1
E1
E1
Pada gambar tersebut jelas terlihat beda fase antara ic dan io sebesar α sehingga didapatkan persamaan.
ic= i0 Cos α
iM= i0 Sin α
i0= ic2+iM2
Pada umumnya Rc>> Xm sehingga ic >> iM dianggap ic = 0 maka α = 90o. Sehingga dapat ditemukan rugi inti dengan persamaan berikut
iM2. XM= i02. XM
Trafo tanpa beban apabila digabarkan dalam rangkaian listrik maka akan menjadi seperti gambar berikut.
a. Rangakaian Tanpa Beban, b. Rangkaian dengan pengabaian rugi tembaga
Berdasarkan gambar (b) V1 dan io dapat dihitung dengan persamaan berikut.
V1=L diodt
Oleh karena io= IM. Sinϖt
V1=L dIM Sin ϖ.tdt
V1=ϖL. IM d Sin ϖ.tdϖt
V1= EXM. Sin (90o+ ϖ.t)
Perlu diketahui bahwa EXM adalah amplitudo tegangan. Adanya arus io sesuai persamaan sebelumnya menunjukkan bahwa fluks magnet timbul sefase dengan io sehingga dapat dituliskan persamaan secara matematis sebagai berikut.
ϕ= ϕM. Sin ϖ.t
Menurut Faraday dalam Rijono (1997:10) kumparan Xm mendapat pengaruh flux yang berubah-ubah, maka diujung-ujung kumparan akan timbul GGl yang menentang terhadap tegangan sumber. Adanya io yang mengalir akan menimbulkan GGL dengan persamaan berikut.
e1= -Ndϕdt
Dimana e1 adalah GGl primer, maka persamaan GGL primer maksimum adalah.
E1= EM1= N1. 2π. f. ϕM
Berikut grafik hubungan antara V1, io, ϕ, E1
Sedangkan untuk menghitung tegangan efektif dari GGL primer dapat digunakan persamaan berikut.
Eef= EM2= EM. 0,707
Jika persamaan tegangan efektf digabungkan dengan persamaan GGL primer maksimum, maka akan menajadi.
Eef= N1. 2π. f. ϕM2
Eef= 4,44 . N1 . f ϕM
Keterangan:
Eef satuan adalah Volt
f satuan adalah Hz
ϕ satuan adalah weber (dikalikan 10-8 jika satuan adalah Maxwell)
Mengingat pembahasan yang terkait akan prinsip kerja trafo bahwa timbulnya fluks pada kumparan primer juga akan mencakup kumparan sekunder, sehingga peristiwa fluks magnet bolak-balik secara bersamaan akan menimbulkan GGL pada kumparan sekunder sebesar.
e2= -N2ϖϕM. Sin (90o+ϖt)
Dengan model persamaan yang sama dalam mencari tegangan efektif seperti halnya pada kumparan primer maka diperoleh perbandingan antara keduanya.
a=Eef1Eef2=N1N2
Jika harga a>1 maka trafo berjenis step down dan jika harga a<1 maka disebut step up (Rijono, 1997:13).
b. Transformator Berbeban
Rijono (1997:21) menyatakan untuk trafo berbeban jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber listrik AC, maka akan timbul arus listrik i1. Perhatikan gambar berikut.
Pada gambar terlihat bahwa terdapat beban ZL yang menyebabkan kumparan sekunder dialiri arus sekunder i2 bolak-balik. Dengan adanya hal ini maka akan timbul gaya gerak magnet sekunder sebesar N2. i2 yang menentang terhadap gaya gerak magnet bersama N1. IM. fluks bersama tetap dijaga besarnya dengan cara membuat kumparan primer agar tetap teraliri arus sebesara i2' = i2. Perlu diketahui pembahasan berbeban ini bditinjau berdasarkan beban reaktif induktif.
Dengan demikian, arus yang mengalir pada kumparan tersebut menjadi i1 = io + i'2 atau i1 = ic + iM + i'2. Dikarenakan mengabaikan rugi inti yang timbul (ic = 0), maka persamaan menjadi i1 = iM + i2. Kembali lagi pada tujuan awal yakni menjaga tetap besar flux bersama akibat pemasangan kumparan, maka persamaan gaya gerak magnet dapat dituliskan sebagai berikut.
N1 . iM= N1 iM+i2- N2 . i2
atau
N1 . i2= N2 . i2
N1 ( i1-iM)= N2 . i2
Dikarenakan im<
N1 . i1= N2 . i2
Atau
i1i2 =N2N1 =1a
2.3.3 Transformator Tiga Fasa
Purwandari (2015: 24) tranformator atau trafo tiga fasa pada dasarnya adalah trafo satu fasa yang disusun menjadi 3 buah dan memilki 2 belitan (primer dan sekunder). Secara umum terdapat dua metode dalam menggabungkan ketiga transformator satu fasa tersebut yakni dengan hubungan segitiga dan bintang untuk kumparan primer. Sedangkan pada kumparan sekunder dapat disusun secara zig zag, bintang, dan juga segitiga.
Idealnya pada penggunaan trafo 3 fasa P pembangkitan = P pemakaian. Bahkan tegangan juga akan seimbang. Pada tegangan yang seimbang perlu diketahui bahwa tegangan 1 fasa mempunyai magnitude dan frekuensi yang sama, tetapi memiliki beda fase antar satu dengan yang lain sebesar 120o listrik. Jika dilihata secara fisik maka akan memilii jarak sebesar 60o listrik.
Gambar Sistem 3 Fasa
Gambar sebelumnya menjelaskan tentang fasor tegangan 3 fasa, sistem ini dibagkitkan oleh generator sinkron 3 fasa. Perlu diketahui jika perpeutarannya berlwanan arah jarum jam (arah positif), maka nilai maksimumnya akan berturt-turut dari V1, V2, V3. Nama lain dari sistem ini adalah urutan fasa a-b-c.
Rijono (1997: 58) menyebutkan bahwa terdapat empat macam sambungan pada rafo tiga fasa yakni.
Sambungan bintang ke bintang
Pada sambungan ini hal yang harus diperhatikan adalah mencegah penyimpangan dari line ke netral. Cara pencegahan dapat dilakukan dengan penghubugan netral untuk primernya. Biansanya dilakukan dengan cra ditanahkan. Bisa juga dengan cara yang lain yakni melilikan denga lilitan tertiary. Bagi kumparan primer maupun sekunder untuk sambungan jenis ini tidak akan memiliki beda fasa antara tegangan line transimisi masukan dan keluaran. (Purwandari 2015:26). Persamaan matematis yang terdapat pada sambungan ini adalah VL=3 . Vph dan IL=Iph
Sambungan delta ke delta
Pada hubungan delta-delta tidak ada titik netral. Ketiganya merupakan line ke line yaitu L1, L2, L3. Tegangan pada sisi primer dan sekunder terdapat dalam satu fasa. Sehingga, jika beban imbang dan dihubungkan ke saluran 1,2,3 maka akan dihasilkan arus keluaran yang sama besar. Hal ini akan menghasilkan arus line yang imbang dalm saluran masukan A-B-C (Purwandari, 2015:25). Secara matematis persamaan yang berlaku adalah IL=3 . Iph dan VL=Vph.
Sambungan bintang ke delta
Diberikan contoh apabila pada fasa primer 210 Volt dan pada fase sekunder 105 Volt, mak perbandingan transformasi tegangan trafo tersebut adalah 210(1053)=1,156:1.
Sambungan delta ke bintang.
Tegangan yang melaui setiap lilitan primer sama dengan tegangan line masukan. Sedangkan untuk tegangan keluaran sama dengan 1,73 kali tegangan sekunder yang melaui setiap transformator. Hubungan delta ke bintang ini menghasilkan beda fasa 30o antara tegangan masukan dan saluran transmisi keluaran (Purwandari 2015:30).
Apabila membahasa keterkaitan daya dengan transformator tiga fasa ini, maka secara umum dibagia atas dua hal. Pertama adalah daya sistem tiga fasa ketika beban seimbang. Jumlah daya pada beban tiga fasa dapat diperoleh dengan cara menjumlahkan daya di setiap fasa. Pada sistem ini daya total sama dengan tiga kali daya fase.
Hubungan Segitigan dan Bintang yang Seimbang
Jika diketahi bahawa antara arus dan tegangan memeiliki jarak sudut sebesar θ, maka besar daya per fasa adalah Pfase = V fase. I fase cos θ. Sedangkan utuk daya total maka diperoleh dari PT = Pfase x 3. Namun perlu diketahui bahwa pada masing-masig sambungan juga memiliki persamaan tersendiri. Pada sambungan segitiga dikarenakan besar tegangan line sama dengan tegangan fasa, maka persamaan menjadi PT = 3 IL/1,73 Vl cos θ. Sedangkan pada sambungan bintang karena arus linear sma dengan arus fasa, maka bersamaan menjadi PT = 3 VL/1,73IL cos θ.
Kedua, daya sistem tiga fase dengan beban tidak seimbang. Dikatakan tidak seimbang karena jumlah fasor dari ketiga tegagan dan jumlah arus pada ketiga fase tidak sama dengan nol. Selain itu hal ini juga dapat terjadi karena hubungan singkat atau hubungan terbuka pada beban. Jika dintinjau dari jenisnya terdapat dua hal yakni ketidakseimbangan beban dan sumber listrik (Purwandari. 2015:30-31).
3. Simpulan
Generator AC adalah salah satu jenis generator yang menghasilkan arus bolak-balik. Disebut juga sebagai generator altenator atau sinkron. Dikarenakan Jumlah putaran rotor yang sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Konstruksi utama terdiri dari rotor dan stator. Bagian utama pendukung terdiri dari inti stator, belitan stator, alur stator, rumah stator, sikat, dll. Disamping itu juga memiliki dua jenis konstruksi berdasarkan jenis kutubnya yakni salient pole dan non salient pole. Prinsip kerja dari generator sendiri adalah berdasarkan induksi elektromagnetik (dapa dikatakan pula didasari dari hukum Faraday).
Pada dasarnya dalam penentuan arus dan tegangan tidak terlepas dari grafik sinus. Selain itu juga masih memiliki pengaruh dari beberapa faktor seperti faktor bentuk dan juga faktor distribusi. Faktor bentuk merupakan perbandingan antara harga efektif dan harga rata-rata. Sedangkan faktor distribusi sendiri ada dikarenakan pada proses nyata generator AC belitan stator mengalami pembagian. Kemudian pada bagian jangkarnya terdapat rekatansi sinkron yang masih memiliki pengaruh dari faktor daya pembebaanan.
Perlu diketahui juga bahwa generator AC juga memiliki klasifikasi berdasarkan ada tidaknya beban penguat. Selain itu dalam hal hubungan kumparan terdapat jenis hubungan segitiga dan hubungan bintang yang mana dalam penentuan arus dan tegangan juga memiliki perbedaan. Kedua hubungan tersebut juga menjadi dasar dalam penentuan tenaga listrik generator sinkron.
Motor Sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Konstruksi utamanya adalah rotor dan stator. Dalam prinsip kerja motor listrik juga berdasrakan atas proses induksi elektromagnetik. Di samping itu motor sinkron memiliki beberapa macam daya yang dibagi atas jenis fasa yaitu fasa tunggal dan tiga fasa. Kemudian juga terhadap bentuk hubungan yaitu hubungan bintang dan hubungan segitiga.
Motor induksi merupakan jenis motor asinkron. Diartikan sebagai suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Konstruksi secara umum juga terdiri dari rotor dan stator. Prinsip kerjanya berdasrkan pada induksi elektromagnetik berdasarkan hukum Faraday.
Transformator atau trafo adalah alat listrik yang mampu memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih dari sebuah rangkaian listrik satu ke yang lainnya, melalui gandengan magnet berdasar atas prinsip induksi elektromagnetik. Konstruksi dasarnya teridir dari kumparan primer dan sekunder. Selain itu juga terdapat inti besin, kumparan tersier, minyak trafo, dan tangka serta konservator. Prinsip kerjanya diawali dari kumparan primer yang dialiri arus kemudian akan timbul fluks dan kemudian akan dihantarkan pada kumparan sekunder. Peristiwa ini juga disebut sebagai induktansi timbal-balik. Transformator juga diklasifikasikan berdasarkan ada tidaknya pengaruh daya pembebanan. Perlu diketahui juga transformator juga terdapat jenis berupa transformator tiga fasa. Pada dasarnya trafo tiga fasa adalah trafo satu fasa yang terdapat tiga buah kemudian memiliki dua belitan (primer dan seku nder). Dalam penyambungannya pun ada empat jenis yakni, bintang-bintang, delta-delta, bintang-delta, dan delta-bintang. Dalam penentuan daya pun masih terdapat keterkaitan denga adnya beban ataupun tidak.
4. Daftar Rujukan
Andika, Surya. 2013. Pararel Generator 9Tugas Akhir Percobaan Generator AC). (Online), (http://www.slideshare.net/dhikaossakay9/makalah-generator-ac, diakses pada 22 April 2016).
Ardiansyah, M. Rizky, dkk. 2015. Tugas Makalah Generator. (Online), (http://dokumen.tips/download/document/?id=XKk1ttvHGmQEQtJU9JQLCF2Dkv1, diakses pada 22 April 2016).
Hanif. 2014. Klasifikasi Transformator Tenaga. (Online), (http://haniftunggal.blogspot.co.id/2014/12/klasifikasi-transformator-tenaga.html, diakses pada 1 Mei 2016).
Juhari. 2014. Generator Semester 3Kelas XI SMK. Jakarta: Kemendikbud RI.
Kusuma, Lutfi. 2014. Makalah Generator AC. (Online), (http://dokumen.tips/download/document/?id=XKk1ttvHGmQEQtJU9JQLCF2Dkv1rf, diakses pada 22 April 2016).
Marselindo, Rendy. 2011. Generator DC dan Generator AC. (Online), (http://rendymars.blogspot.co.id/2011/10/generator-dc-dan-generator-ac.html, diakses 28 April 2016).
Permatasi, Nadya Ftrie, dkk. 2015. Mesin Listri "Transformator". (Online), (http://dokumen.tips/download/document/?id=5R0iNFTo2gqexRf2XdpHx2uSo6ELl, diakses pada 1 Mei 2016).
Purwandari, Riasty. 2015. Transformator. (Online), (www.academia.edu, diakses 1 Mei 2016).
Rijono, Yon. 1997. Dasar Teknik Tenaga Listrik. Yogyakarta: Penerbit ANDI.
Sari, Avinurfita. 2010. Gaya Gerak Listrik Induksi GGL, Medan Magnet menimbulkan Arus Listrik. (Online), (http://avinurfitasari-avi.blogspot.co.id/2010/12/gaya-gerak-listrik-induksi-ggl-medan.html, diakses pada 29 April 2016).
Wirabuana, Cakra, dkk. 2010. Motor Sinkron. (Online), (http://staff.ui.ac.id/system/files/users/chairul.hudaya/material/presentationsynchronousmotor.pdf, diakses pada 30 April 2016).
http://staff.ui.ac.id/system/files/users/chairul.hudaya/material/presentationinductionmotor.pdf.
http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/20111/3/Chapter%20II.pdf.
http://mafia.mafiaol.com/2013/05/pengertian-ggl-dan-tegangan-jepit.html
