Jumat, 07 November 2008

MESIN-MESIN LISTRIK

1. Pendahuluan
Di dalam Mesin-mesin Listrik ini akan dibahas mesin-mesin arus bolak-balik (ac) dan juga penggunaan peralatan elektronika untuk mesin-mesin tersebut. Pada dasarnya mesin arus bolak-balik dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu mesin serempak (Sinkron) dan mesin tak serempak.
Mesin serempak, biasanya digunakan sebagai generator baik tiga phasa maupun phasa tunggal. Kadang-kadang mesin serempak digunakan juga sebagai motor yang dikenal sebagai motor serempak. Baik konstruksi maupun penampakan motor serempak adalah sama seperti generator serempak. Mesin serempak dapat juga digunakan sebagai beban dengan faktor daya yang berubah-ubah. Ini digunakan untuk memperbaiki faktor daya (power factor) dari sistem.
Mesin tak serempak biasanya dijumpai sebagai motor. Baik satu phasa maupun tiga phasa banyak dijumpai di industri. Mesin tak serempak mempunyai keuntungan yang menonjol dibandingkan dengan mesin dc yaitu konstruksi yang sangat sederhana, tidak memakai komutator sehingga sangat handal, tingkat kebisingan yang rendah. Kerugian dari motor tak serempak adalah putarannya relatif sulit untuk diatur. Juga torsi awal pada umumnya adalah rendah.
Akhir-akhir ini mulai dikembangkan semikonduktor dengan daya yang besar dan bukan hanya untuk peralatan seperti radio transistor. Salah satu yang utama adalah Thyristor atau SCR (silicon controlled rectifier). Dengan perkembangan semikonduktor tenaga ini, mulai berkembanglah apa yang disebut power electronics. Banyak peralatan-peralatan elektronik ini yang digunakan dalam sistem tenaga, terutama untuk mencatu motor-motor atau mesin-mesin listrik dengan daya yang besar. Penggunaan peralatan seperti ini menuntut pengetahuan tentang mesin-mesin dan juga elektronika. Di sini akan dibahas, penggunaan peralatan power electronics yang dijumpai di industri terutama untuk mengatur kecepatan mesin-mesin listrik.
2. Mesin Sinkron (Mesin Serempak)
Karena pada umumnya mesin sinkron adalah mesin Sinkron tiga phasa dan juga karena pada prinsipnya mesin tiga phasa adalah identik dengan satu phasa maka kita akan membahas hanya mesin sinkron tiga phasa.Mesin Sinkron adalah mesin arus bolak-balik yang mempunyai rotor yang berputar dan kecepatannya mempunyai hubungan yang konstan terhadap frekwensi dari arus yang mengalir di kumparan stator. Sebagai motor mesin Sinkron ini akan berputar dengan kecepatan konstan tidak tergantung dari beban selama frekwensi dari tegangan supply tetap konstan. Sebagai generator, putaran dari mesin ini harus dijaga konstan kalau frekwensi dari tegangan yang dihasilkan dikehendaki konstan. Medan magnet dalam mesin Sinkron adalah tetap. Pada mesin-mesin yang kecil medan ini ditimbulkan oleh magnet tetap, tetapi pada umumnya medan ini dihasilkan dengan memberikan arus searah pada kumparan medan, arus searah ini diperoleh dari generator arus searah kecil yang dikopel pada poros mesin ini.
2.1 Jenis-jenis Mesin Sinkron
Jangkar (armature) atau kumparan utama dari mesin Sinkron bisa berada di stator atau rotor. Karena sulit untuk mengambil atau memberi arus yang besar dan tegangan tinggi pada bagian yang berputar biasanya kumparan utama terletak pada stator hal ini biasa terutama pada mesin-mesin yang besar. Bila kumparan jangkar ada pada rotor maka stator terdiri dari kutub menonjol (salient pole) yang diberi arus searah sangat mirip dengan stator mesin arus searah (gambar 2.1a). Untuk mesin dengan kumparan utama di stator ada 2 jenis yaitu : a). mesin dengan kutub menonjol di rotor dan (b). kutub tidak menonjol atau rotor silindris (gambar 2.1 b dan c). Mesin-mesin dengan kutub menonjol biasanya lebih ekonomis daripada kutub silindris untuk mesin putaran rendah (rpm=1500 ke bawah). Kutub menonjol ini biasanya digunakan untuk generator yang diputar oleh turbin air di mana putarannya rendah. Rotor silindris mempunyai kumparan yang terdistribusi secara merata sehingga untuk putaran tinggi rotor ini mempunya kekuatan mekanis yang tinggi dibandingkan dengan kutub menonjol. Biasanya generator ac dengan kutub silindris dipakai untuk putaran tinggi (3000 rpm) dan penggerak utamanya adalah turbin uap.


Untuk generator ac 50 Hz putaran dari mesin dapat ditentukan dari hubungan :
f
Di mana f adalah frekwensi, p adalah jumlah pasang kutub dan n adalah putaran mesin. Jadi untuk sistem 50 Hz.
n putaran/menit.
n ini kadang-kadang disebut no adalah kecepatan Sinkron.
Dari persamaan di atas dapat disimpulkan mesin Sinkron ini pengaturan putarannya relatif sulit bila dikehendaki frekwensi yang konstan. Tidak seperti mesin-mesin searah di mana ada banyak variabel yang dapat mempengaruhi kecepatan mesinnya, mesin Sinkron relatif sulit diatur putarannya. Dengan merubah jumlah pasang kutubnya maka didapat juga pengaturan putaran tetapi ini tentu tidak kontinyu, untuk frekwensi 50 Hz kecepatan mesin Sinkron bisa 3000 rpm, 1500, 750, 600, 500, dst. Sedangkan untuk sistem 60 Hz sepertri di Amerika kecepatannya adalah 3600, 1800, 1200, 900, 720, 600 dst.
2.2 Konstruksi mesin Sinkron
2.2.1 Rangka mesin
Dalam mesin arus searah rangka mesin merupakan juga sebagai rangkaian magnetis dan kutub utama, pada mesin Sinkron rangka mesin hanya berfungsi sebagai pemegang inti jangkar atau stator. Untuk mesin-mesin yang besar dan dengan putaran yang rendah maka diameternya akan sangat besar (mesin Sinkron untuk turbin air) akibatnya frame (rangka) mesin sering kali dibuat menjadi bagian-bagian yang dapat dilepas. Ini adalah untuk memudahkan pengangkutan dan juga sulit untuk mencor besi dalam bentuk yang besar.Rangka mesin dibuat dari besi cor.
2.2.2 Inti stator
Inti stator dibuat dari lempeng-lempeng besi elektris yang terlaminasi satu dengan yang lain.Lempeng-lempeng ini atau lembaran besi kemudian diikat menjadi satu membentuk stator.Laminasi di sini digunakan agar rugi arus eddy kecil. Inti stator mempunyai alur-alur (slots) di mana kumparan stator diletakkan.


Jenis alur yang terbuka (wide open) mempunyai keuntungan yaitu mudah untuk memasukkan atau mengeluarkan kumparan stator. Tetapi ini mempunyai kerugian yaitu distribusi fluks di celah udara menjadi tidak baik (distorised), ini akan mengakibatkan terjadinya ripples pada tegangan yang dihasilkan oleh generator. Bentuk alur yang agak tertutup (semi closed) menghasilkan distribusi fluks yang lebih baik pada celah udara tetapi untuk memasukkan atau mengeluarkan stator ini agak sulit. Lilitan stator harus dimasukkan secara pelan-pelan seperti satu persatu. Untuk jenis alur tertutup, ini kurang menguntungkan juga karena induktans dari kumparan menjadi besar, kumparan stator harus dimasukkan satu persatu dan seperti menjahit ini tentu memakan waktu dan tenaga yang tidak sedikit. Juga kesulitan utama dari alur tertutup ini adalah menghubungkan ujung akhir-ujung akhir dari kumparan-kumparan stator. Alur tertutup ini jarang sekali diketemukan, bahkan boleh dikata tidak dipakai lagi.
2.2.3 Rotor
Ada 2 jenis rotor pada mesin serempak :
a). Rotor dengan kutub menonjol (salient pole) ini dipakai pada mesin-mesin dengan putaran rendah atau menengah. Kutub-kutubnya menonjol seperti dapat dilihat pada gambar kutub atau rotor terbuat dari besi berlaminasi untuk mengurangi arus eddy. Untuk mesin yang besar kumparan rotor sering kali dibuat dari kawat persegi.
b). Rotor dengan kutub silindris (bulat).
Jenis rotor bulat ini bisanya dipakai pada generator yang digerakkan oleh turbin uap (kecepatan tinggi). Tidak seperti kutub menonjol, untuk putaran rendah biasanya rotor bulat ini kecil diameternya dan panjang. Bentuk rotor ini dapat juga dilihat pada gambar 2.3. (b) dan (c). Kumparan rotor diatur sedemikian sehingga terdapat fluks maksimum pada satu posisi tertentu. Rotor dengan bentuk ini biasanya lebih balance dan juga bekerja dengan kebisingan (noise) yang rendah.
2.2.4 Kumparan peredam (damper windings).
Kumparan peredam ini kadang-kadang disebut juga kumparan sangkar seperti pada mesin tak serempak, terdiri dari batang-batang aluminium atau tembaga dan pada ujung-ujungnya dihubungkan singkat (dapat dilihat pada gambar a). Kumparan ini berguna untuk meredam osilasi sehingga tidak terjadi hunting (perubahan kecepatan sesaat) kumparan ini juga diperlukan pada mesin Sinkron yang bekerja sebagai motor untuk dapat mempunyai torsi start.
2.3 Generator Sinkron berbeban.
Bila suatu generator Sinkron dibebani dengan beban yang dapat diubah besarnya maka seperti pada generator arus searah tegangan pada terminal akan turun bila beban naik. Tegangan drop pada terminal terjadi karena :
a). Tegangan drop sebab tahanan jangkar Ra
b). Tegangan drop sebab reaktans bocor pada jangkar XL
c). Tegangan drop sebab reaksi jangkar.


2.3.1 Tahanan jangkar
Tahanan jangkar/phasa, Ra menyebabkan tegangan drop/phasa yang besarnya IRa dan tegangan drop ini akan sephasa dengan arus I. Tetapi pada kenyataannya tegangan ini sangat kecil karena Ra kecil.



2.3.2 Reaktans bocor dari jangkar
Bila ada arus yang mengalir pada kumparan jangkar maka akan ada fluks yang tidak melewati celah udara. Fluks seperti ini disebut fluks bocor. Beberapa type dari fluks bocor dapat dilihat pada gambar 2.4.
Fluks bocor ini tergantung dari besarnya arus I dan juga sudut phasa terhadap tegangan V. Fluks bocor ini menimbulkan emf terinduksi yang dikenal dengan “emf reaktans” yang mendahului arus I dengan sudut sebesar 90o, karena itu, kumparan jangkar dianggap mempunyai reaktans bocor XL (juga disebut Reaktans Potier XP) sedemikian sehingga tegangan drop karena ini besarnya adalah IXL Pada generator Sinkron sebagian tegangan yang dihasilkan digunakan untuk mengatasi drop ini seperti bisa dilihat pada diagram vektor pada gambar 2.5. dan secara matematik dapat ditulis :
E = V + I (R + j.XL)
2.3.3 Reaksi jangkar
Sama seperti pada mesin arus searah reaksi jangkar adalah efek dari fluks jangkar pada fluks medan utama. Dalam hal generator Sinkron, power factor (p.f atau faktor daya) mempunyai pengaruh yang besar pada reaksi jangkar. Kita akan memperhatikan beberapa keadaan (i). bila p.f. dari beban = 1, (ii). Bila p.f. beban adalah nol dan lagging (tertinggal) dan (iii) bila p.f. beban = nol dan leading (mendahului)
Gambar 2.6.(a) menunjukkan diagram yang disederhanakan dari suatu generator Sinkron 2 kutub 3 phasa, dimisalkan bahwa jumlah lilitan/phasa adalah N. Lebih lanjut misalkan generator dibebani dengan tahanan (p.f. = 1) maka arus phasa Ia, Ib, dan Ic akan sephasa dengan tegangan phasa yang sesuai.
Arus maksimum Ia akan mengalir bila kutub-kutub ada pada posisi seperti pada gambar (a) atau pada saat t1 pada gambar (c). Waktu Ia akan mencapai harga maksimum, maka Ib dan Ic mempunyai harga ½ dari maksimum. Arah dan arus-arus ini dapat dilihat pada gambar (c).
Pada saat t1, arus Ia mengalir dengan arah masuk sedangkan arus Ib dan Ic dengan arah keluar. Sebagaimana dapat dilihat pada gambar (d), mmf (=ImN) yang dihasilkan oleh phasa a – a' adalah pada garis horisontal sedangkan yang disebabkan oleh kedua phasa yang lain (=Im/2) N pada arah 60o terhadap horisontal. Jumlah total dan mmf akibat reaksi/arus jangkar adalah jumlah vektor dari mmf tersebut.
mmf jangkar = NIm + 2 (½ImN) cos 60o = 1,5 Im.N
sebagaimana dapat dilihat pada saat t1, mmf dari medan utama adalah ke atas dan mmf jangkar tertinggal 90o dibelakangnya.




Sekarang mari kita ikuti mmf jangkar pada saat t2. Pada saat ini kutub berada pada posisi horisontal juga Ia = 0 tetapi Ib dan Ic mempunyai harga 0,866 maksimumnya. Karena Ic tidak berubah arah selama periode t1 dan t2 maka arah vektor mmfnya tak berubah. Ib arahnya berubah dan sekarang mmfnya arahnya juga berubah seperti pada gambar (d). Jumlah total mmf jangkar adalah jumlah vektor dari kedua mmf tersebut di atas.
mmf jangkar = 2  (0,866.NIm)  cos 30o
= 1,5 NIm.
Kalau penyelidikan dilanjutkan maka didapat kesimpulan :
(i). mmf jangkar tetap konstan besarnya (tidak tergantung dari waktu)
(ii). ini tertinggal 90o terhadap medan utama, maka mmf ini hanya akan mengganggu medan utama.
(iii). Ini berputar dengan putaran Sinkron pada jangkar (stator)
Untuk beban dengan p.f.=0 lagging, maka semua arus akan terlambat 90o terhadap tegangan yang sesuai dengannya. Juga mmf jangkar (akibat arus jangkar) akan bergerak 90o terhadap kutub seperti dapat dilihat pada gambar (e). Jelas sekali bahwa mmf jangkar akan mempunyai pengaruh demagnitisasi medan utama sehingga akan ada tegangan drop pada tegangan yang dibangkitkan (tegangan terminal akan turun).
Untuk beban dengan p.f. = 0 leading, mmf jangkar akan bergeser mendahului sebesar 90o terhadap kutub seperti pada gambar (d), maka seperti gambar (f) mmf jangkar menguatkan (searah) dengan medan utama maka akibatnya tegangan yang dibangkitkan pada terminal akan naik.
Gejala reaksi jangkar di atas ini, apabila digambarkan sebagai fluks dan bukan mmf dapat disimpulkan sebagai berikut :
(i). Power factor, pf = 1
Dalam hal ini seperti pada gambar 2.7(a) medan jangkar adalah melintang. Akibatnya fluks pada akhir kutub (sisi akhir) akan berkurang sedangkan fluks pada ujung mula akan bertambah.
Hal ini akan menyebabkan tegangan yang terinduksi akan mempunyai distorsi.

(ii). p.f. = 0 lagging
seperti terlihat pada gambar (b) di sini medan jangkar sudah bergeser 90o dan ini menyebabkan medan jangkar melawan/berlawanan dengan medan utama. Akibat dari ini, tegangan yang dihasilkan akan lebih rendah dan untuk membuat agar tegangan konstan maka arus eksitasi harus dinaikkan.
(iii). p.f. = 0 leading
Dalam hal ini gelombang fluks jangkar sudah digeser 90o seperti pada gambar (c) . Karena medan jangkar searah dengan medan utama, maka efeknya adalah memperkuat medan utama. Untuk menjaga tegangan tetap pada beban dengan p.f leading maka arus eksitasi atau medan utama dari generator Sinkron harus dikurangi.
(iv). Untuk p.f. di antara kedua ekstrem di atas akibat reaksi jangkar adalah distorsi pada tegangan dan juga penurunan tegangan bila p.f. adalah lagging (sebagai contoh adalah pada gambar (d) untuk p.f. = 0.7 lagging).
2.3.4 Reaktans Sinkron
Dari keadaan yang dibicarakan sebelumnya jelas bahwa tegangan pada terminal yang bisa disebut tegangan jepit turun dari E0 pada beban nol menjadi V (untuk p.f. lagging). Hal ini terjadi karena:
a) Drop akibat tahanan jangkar IRa
b) Drop akibat reaktans bocor IXL
c) Drop akibat reaksi jangkar
Drop akibat reaksi jangkar bisa dianalogikan dengan menggunakan reaktans bayangan Xa pada rangkaian jangkar. Harga dari reaktans bayangan Xa ini dibuat/diambil sedemikian sehingga IXa merupakan tegangan drop akibat reaksi jangkar (harga Xa sebenarnya tergantung daripada p.f. dari beban).
Reaktans bocor XL (atau XP) dan reaktans jangkar Xa bisa digabung untuk mendapatkan “reaktans Sinkron” Xs (synchronous Reactance).
Maka :
XS = XL + Xa
Karena itu, tegangan drop total pada mesin Sinkron saat dibebani adalah :
IRa + jIXS= I (Ra+jXS)= IZS
di mana ZS adalah “impedansi Sinkron” perkataan Sinkron digunakan untuk menyatakan keadaan kerja mesin ini. Di sini kita dapat lihat bahwa perbedaan dari tegangan pada beban nol. E0 dan tegangan jepit V adalah sama dengan IZS seperti dapat dilihat pada gambar 2.8.




2.3.5 Diagram vektor generator berbeban
Dalam gambar 2.9(a) menunjukkan diagram vektor bila beban p.f. = 1, (b) untuk p.f. lagging dan (c) p.f. leading. Semua diagram ini adalah untuk tegangan satu phasa dari suatu mesin Sinkron (generator Sinkron) tiga phasa. Vektor diagram untuk phasa-phasa yang lain adalah sama seperti tersebut.



Pada diagram tersebut, simbol-simbol yang dipakai adalah
Eo = Emf pada beban nol. Ini merupakan emf yang terinduksi pada jangkar mesin dan merupakan emf maksimum
E = Emf induksi beban. Ini merupakan emf yang terinduksi dikurangi reaksi jangkar, secara vektor ini merupakan E0 dikurangi IXa. Kadang-kadang disebut tegangan dalam Ea.o.
V = Tegangan pada terminal. Secara vektor ini merupakan Z0 dikurangi IZS atau E dikurangi IZ di mana
Z = kadang-kadang ditulis = Za.
I adalah arus/phasa dan Ø adalah sudut p.f. dari beban.


Contoh 1
Suatu generator Sinkron 3 phasa, mensupply beban 10 MW dengan pf = 0,85 lagging, tegangan terminal adalah 11 KV (tahanan jangkar per phasa adalah 0,1 dan reaktans Sinkronnya adalah 0,66/phasa)
Hitung : emf terinduksi (yang dibangkitkan)
Jawab :
Arus output nominal = = 618 A
Drop I Ra = 618  0,1 = 61,8 V
Drop I XS = 618  0,66 = 408 V
Tegangan terminal/phasa = = 6350 volt
Ø= cos-1(0,85) = 31,8o ; sin Ø = 0,527
Seperti dapat dilihat pada gambar di samping; I dianggap sebagai referensi, maka :
E0 =
E0 = = 6625 V
Maka tegangan line yang terinduksi sebenarnya adalah :
3  6625 = 11480 volt

Rabu, 05 November 2008

Personil Listrik Perminyakan II

Kami bertiga Team yang "Hebat" dicipta secara tidak sengaja, dari penggabungan "Tiga Elemen".. Komputer, Instrument, dan Listrik.. Sepert halnya Analogi terjadinya Api, Petir selalu mengacu pada 3 elemen dasar..