Motor Sinkron (Synchronous motors)

MOTOR SINKRON

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.

A.   Prinsip Kerja Motor AC sinkron

Motor sinkron serupa dengan motor induksi pada mana keduanya mempunyai belitan stator yang menghasilkan medan putar. Tidak seperti motor induksi, motor sinkron dieksitasi oleh sebuah sumber tegangan dc di luar mesin dan karenanya membutuhkan slip ring dan sikat (brush) untuk memberikan arus kepada rotor. Pada motor sinkron, rotor terkunci dengan medan putar dan berputar dengan kecepatan sinkron. Jika motor sinkron dibebani ke titik dimana rotor ditarik keluar dari keserempakannya dengan medan putar, maka tidak ada torque yang dihasilkan, dan motor akan berhenti. Motor sinkron bukanlah self-starting motor karena torque hanya akan muncul ketika motor bekerja pada kecepatan sinkron; karenanya motor memerlukan peralatan untuk membawanya kepada kecepatan sinkron.

Motor sinkron menggunakan rotor belitan. Jenis ini mempunyai kumparan yang ditempatkan pada slot rotor. Slip ring dan sikat digunakan untuk mensuplai arus kepada rotor.

Prinsip Motor Sinkron secara umum :

-       Belitan medan terdapat pada rotor

-       Belitan jangkar pada stator

-   Pada motor sinkron, suplai listrik bolak-balik (AC ) membangkitkan fluksi medan putar stator (B_s) dan suplai listrik searah (DC) membangkitkan medan rotor (B_s). Rotor berputar karena terjadi interaksi tarik-menarik antara medan putar stator dan medan rotor. Namun dikarenakan tidak adanya torka-start pada rotor, maka motor sinkron membutuhkan prime-mover yang memutar rotor hingga kecepatan sinkron agar terjadi coupling antara medan putar stator (B_s) dan medan rotor (B_r).

Penyalaan Motor Sinkron

Sebuah motor sinkron dapat dinyalakan oleh sebuah motor dc pada satu sumbu. Ketika motor mencapai kecepatan sinkron, arus AC diberikan kepada belitan stator. Motor dc saat ini berfungsi sebagai generator dc dan memberikan eksitasi medan dc kepada rotor. Beban sekarang boleh diberikan kepada motor sinkron. Motor sinkron seringkali dinyalakan dengan menggunakan belitan sangkar tupai (squirrel-cage) yang dipasang di hadapan kutub rotor. Motor kemudian dinyalakan seperti halnya motor induksi hingga mencapai –95% kecepatan sinkron, saat mana arus searah diberikan, dan motor mencapai sinkronisasi. Torque yang diperlukan untuk menarik motor hingga mencapai sinkronisasi disebut pull-in torque. Seperti diketahui, rotor motor sinkron terkunci dengan medan putar dan harus terus beroperasi pada kecepatan sinkron untuk semua keadaan beban. Selama kondisi tanpa beban (no-load), garis tengah kutub medan putar dan kutub medan dc berada dalam satu garis (gambar dibawah bagian a). Seiring dengan pembebanan, ada pergeseran kutub rotor ke belakang, relative terhadap kutub stator (gambar bagian b). Tidak ada perubahan kecepatan. Sudut antara kutub rotor dan stator disebut sudut torque .

Gambar sudut torque (torque angle)

Jika beban mekanis pada motor dinaikkan ke titik dimana rotor ditarik keluar dari sinkronisasi , maka motor akan berhenti. Harga maksimum torque sehingga motor tetap bekerja tanpa kehilangan sinkronisasi disebut pull-out torque.

A.   Kontruksi Motor AC Sinkron

Gambar Kontruksi Motor Sinkron

            Seperti yang telah diulas diatas, bahwa komponen penting dari motor sinkron adalah stator dan rotor, yang mana komponen ini adalah komponen umum atau dasar pada sebuah motor.

         Motor sinkron adalah motor ac yang memiliki kecepatan konstan, namun kecepatan dapat diatur karena kecepatannya berbanding lurus dengan frekuensi. Motor sinkron secara khusus sangat baik digunakan untuk kecepatan rendah. Kelebihan dari motor sinkron ini antara lain, dapat dioperasikan pada faktor daya lagging maupun leading, tidak ada slip yang dapat mengakibatkan adanya rugi-rugi daya sehingga motor ini memiliki efisiensi tinggi. Sedangkan kelemahan dari motor sinkron adalah tidak mempunyai torka mula, sehingga untuk starting diperlukan cara-cara tertentu. Bila metode starting telah dapat dikembangkan kemudian hari, maka motor ini akan lebih unggul dibandingkan motor listrik yang lain.

A.   Rumusan matematis Motor AC sinkron 

Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut:

Ns = 120 f / P

di mana :

N_s = kecepatan serempak, dalam rpm

F = frekuensi daya AC

p = jumlah kutup per lilitan phase

Slip dari motor AC dihitung dengan :

Di mana :

N_r = kecepatan putar, dalam rpm

S = slip normal, 0 sampai 1.

Sebagai contoh, sebuah motor dengan empat kutub beroperasi pada 60 Hz bisa memiliki plat nama 1725 RPM pada beban penuh, sedangkan bila dihitung kecepatannya 1800 RPM. 

D.   Penggunaan Motor AC sinkron

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.

E.   Proteksi Motor AC sinkron

Motor dapat menjadi generator, apabila energi listrik dirubah menjadi energi mekanik disebut motor, tapi apabila energi mekanik menjadi energi listrik disebut generator.  Jadi  "di atas kertas"  motor itu bisa jadi generator, tapi bila melihat fungsi dan konstruksinya akan berbeda, jadi dalam keadaan khusus motor akan menjadi generator, atau generator menjadi motor. Namun untuk mencegah hal tersebut dipasang proteksi khusus agar motor tidak menjadi menjadi generator atau sebaliknya. 

Ada banyak metode kendali motor AC (motor induksi, motor sinkron) dengan kelebihan dan kekurangannya. Namun secara umum metode ini dapat dikelompokkan sebagai berikut:

1. Kendali Skalar (v/f Konstan)
2. Kendali Berorientasi Medan (Field Oriented Control, FOC)
3. Kendali Torsi Langsung (Direct Torque Control, DTC)

Overload Motor Protection

       Overload Motor Protection, yang dimaksud motor ini adalah electric motor yang oleh orang awam disebut dinamo. Dan disini dikhususkan yang terjadi pada motor AC 3 phase. Fungsi dari motor ini adalah sebagai penggerak atau untuk mengkonversi energi listrik menjadi mekanik/ gerak seperti lift, conveyor, blower, crusher dll. Dalam dunia industri saat ini peran yang dilakukan motor ini sangat vital. Untuk itu proteksi sangat diperlukan untuk menjaga kelancaran suatu proses. Sistem proteksi motor ini sudah lama dikenal dan berkembang seiring kemajuan teknologi. Mulai dari penggunaan eutic relay, thermal, sampai elektronik. Secara umum sistem kerja alat tersebut dapat dibagi menjadi dua yaitu dengan thermal dan elektronik.THERMAL OVERLOAD.

Sesuai dengan namanya proteksi motor ini menggunakan panas sebagai pembatas arus pada motor. Alat ini sangat banyak dipergunakan saat ini. Biasanya disebut TOR, Thermis atau overload relay. Cara kerja alat ini adalah dengan menkonversi arus yang mengalir menjadi panas untuk mempengaruhi bimetal. Nah , bimetal inilah yang menggerakkan tuas untuk menghentikan aliran listrik pada motor melalui suatu control motor starter (baca motor starter). Pembatasan dilakukan dengan mengatur besaran arus pada dial di alat tersebut. Jadi alat tersebut memiliki range adjustment misal TOR dengan range 1 ~ 3,2 Amp disetting 2,5 Amp. Artinya, kita membatasi arus dengan TOR pada level 2,5 Amp saja.

ELECTRONIC OVERLOAD

Overload electronic ini mempunyai 2 karakteristik trip, INVERSE dan DEFINITE. Inverse, ia akan bekerja seperti thermal overload. Perbedaannya adalah kemampuannya untuk menggeser kurva trip. Jadi overload ini selain mempunyai setting arus juga kecepatan trip atau class adjustment. Selain itu dengan menggunakan rangkaian elektronik ia akan tidak mudah dipengaruhi suhu sekitar serta akurasi lebih terjaga. Definite, bekerja dengan pembatasan yang ketat. Dengan karakteristik ini, berapapun besar kelebihan beban ia akan trip setelah mencapai waktu yang ditentukan. Misal seting overload pada 10 amp dengan waktu trip 4 detik. Jika terjadi kelebihan beban lebih dari 10 amp selama lebih dari 4 detik dia akan trip. Kecepatan trip ini tidak tergantung besar arus overload (baik kecil atau besar sama saja).

Dengan menggunakan rangkaian elektronik biasanya alat ini dilengkapi dengan fasilitas proteksi lain seperti phaseloss protection, Lock Rotor Protection, Short Circuit Protection dll.  Dengan gambaran tersebut di atas, maka kita bisa menentukan kebutuhan overload protection yang diperlukan. Dan perlu di ingat bahwa, terbakarnya motor tidak hanya karena terjadinya overload. Overload hanyalah salah satu dari beberapa fakor penyebab terbakarnya motor. Seberapa tinggi tingkat proteksi motor yang kita perlukan tergantung dengan prioritas kita. Tetapi, overload protection tetaplah mutlak diperlukan dalam sebuah suatu sistem motor starter.

F.   Pengukuran Motor AC sinkron

Pembangkitan Torka

• Interaksi antara medan putar stator (B_s) dan medan rotor (B_r) yang membangkitkan torka seperti terlihat dalam persamaan berikut.

T = B_sx B_s(sin δ)

• δ disebut sudut beban karena besarnya tergantung pembebanan. Pada saat beban nol nilai δ=0. Jika dibebani, medan rotor tertinggal dari rotor sebesar δ, kemudian berputar sama lagi. Beban maksimum tercapai pada δ=90^o. Jika beban dinaikkan terus melebihi batas itu, maka motor akan kehilangan sinkronisasi dan akhirnya akan berhenti.

Pembangkitan medan putar

·       Pada Motor sinkron 3 fasa, mengalir arus seimbang pada tiap fasa dengan beda sudut fasa 120^o

i_a = I_m sin ωt

i_b = I_m sin (ωt-120^o)

i_c = I_m sin (ωt-240^o)

Tiap arus fasa membangkitkan ggm F yang merupakan fungsi sudut ruang ө seperti  i_a à F_a.cos θ. Dengan F_a=F_m. sin ωt

Maka ggm F tiap fasa yang dibangkitkan

F_a = F_m sin ωt.cos θ

F_b = F_m sin (ωt-120^o).cos (θ-120^o)

F_c = F_m sin (ωt-240^o) .cos (θ-240^o)

 Resultan  ketiga ggm, F_r=F_a+ F_b +F_c

Dan jika kemudian disederhanakan dengan persamaan trigonometri akan diperoleh:

F(θ,t) = 3/2 F_m.cos (θ-ωt)

Yang berarti resultan-mmf adalah medan putar sebagai fungsi dari ruang dan waktu, seperti terlihat dalam gambar berikut:

G.   Karakteristik Motor AC sinkron

Gambar Model Motor Sinkron (Model dan Diagram Fasor)

Pengaruh Penguatan Medan

Ø  Untuk membangkitkan fuksi dibutuhkan daya reaktif yang bersifat induktif.

Ø  Pada motor sinkron, ggm dibangkitkan arus medan (DC) pada belitan rotor. Jika arus medan ini cukup, maka motor tidak membutuhkan suplai energi reaktif dari sisi stator yang bersumber dari jaringan listrik. Sehingga motor bekerja dengan faktor daya = 1.

Ø  Jika penguatan arus medan kurang, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat induktif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya(pf) terbelakang (lagging). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat induktif.

Ø  Kebalikannya jika kelebihan penguatan arus medan, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat kapasitif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya (pf) mendahului (leading). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat kapasitif.

Kondensor Sinkron 

Seperti diuraikan di atas, jika motor sinkron kelebihan penguatan arus medan, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat kapasitif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya (pf) mendahului (leading). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat kapasitif. Sehingga motor sinkron dapat digunakan untuk memperbaiki factor daya (pf). Dalam hal ini motor sinkron disebut Kondensor sinkron.

Karakteristik Torka dan Sudut daya

Gambar diatas memperlihatkan bahwa Torka adalah fungsi sin δ, dengan δ adalah sudut daya. Pada motor sinkron nilai δ negatif dan nilainya positif pada generator sinkron. Torka maksimum dicapai pada δ= +/- 90^o. Jika melebihi batas itu, maka motor atau generator akan kehilangan stabilitas dan sinkronisasi dan pada akhirnya akan berhenti.