LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK (GENERATOR SINKRON NO LOAD AND LOAD TEST)
Dosen Pembimbing:
Djodi Antono
Disusun Oleh:
Wisnu Wijanarko
3.39.12.0.23
LT 2D – 23
PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
2014
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
MOTOR SINKRON NO LOAD DAN LOAD
( EXPERIMENT N.8 )
1. PENDAHULUAN
Praktikum ini dapat dikatakan sebagai simulasi persiapan pengopersian generator.
Generator akan diputar dwngan bantuan motor dc dengan kecepatan putar tertentu. Kutub
terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi diset mula2 0 kemudian
dinaikan dengan selisih kenaikan tertentu sampai tegangan keluaran generator bernilai 380 V.
Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea.
Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If). Dari kurva ini
harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang
merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh
sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF),
maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya
diperlihatkan pada persamaan berikut.
Ea = c.n. (1.1)
yang mana:
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
= fluks yang dihasilkan oleh IF
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak
terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila arus
medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang terlihat pada kurva
sebagai berikut.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
gambar 1.1 Karakteristik tanpa beban generator sinkron
2. DASAR TEORI
GENERATOR SINKRON
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator
sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan untuk mengubah
daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkrondapat berupa generator sinkron tiga fasa
atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari kebutuhan.
1.1 Konstruksi Generator Sinkron
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan mdan
magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet
berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan
stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet
yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non
salient (rotor silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada
gambar di bawah ini.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Gambar 1.1 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron
Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada
kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor.
Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor
kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi
rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator.
Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar
10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan
rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator
sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
(a) (b)
Gambar 1.2 Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang
rotor pada generator sinkron
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:
1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana
slip ring dan sikat.
2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada
batang rotor generator sinkron.
1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka
akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan
oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan
magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator)
yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan
kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada
pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator
dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh
kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan
akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor
diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron
kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk
beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan
tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.3 Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk
sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk
mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal
(internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring
dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor
menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu
diperlukan.
1.3 Kecepatan Putar Generator Sinkron
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar
generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus
DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar
medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
120
.pnf r
e (1.1)
yang mana:
fe = frekuensi listrik (Hz)
nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)
p = jumlah kutub magnet
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan
diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang
dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka
generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah
ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus
berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat
kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.
1.4 Alternator tanpa beban
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF),
maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk
hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Ea = c.n. (1.2)
yang mana:
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
= fluks yang dihasilkan oleh IF
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak
terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF).
Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang
terlihat pada kurva sebagai berikut.
gambar 1.4 Karakteristik tanpa beban generator sinkron
1.5 Alternator Berbeban
Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi
jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut
reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi
fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan pada generator
adalah:
Ea = V + I.Ra + j I.Xs (1.3)
Xs = Xm + Xa (1.4)
yang mana:
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Ea = tegangan induksi pada jangkar
V = tegangan terminal output
Ra = resistansi jangkar
Xs = reaktansi sinkron
Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif
(faktor kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 1.5 Karakteristik alternator berbeban induktif
1.6 Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron
Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini biasanya tidak
sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan induksi sama dengan
tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin.
Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi dengan tegangan
terminal adalah:
1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator,
disebut reaksi jangkar.
2. Induktansi sendiri kumparan jangkar.
3. Resistansi kumparan jangkar.
4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.
Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah
ini.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Gambar 1.6 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa
1.7 Menentukan Parameter Generator Sinkron
Harga s X diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan percobaan
hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada kecepatan ratingnya
dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol.
Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan terminal generator diukur
pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V
sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan
(If). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian
harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan
pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.
Gambar 1.7 Karakteristik tanpa beban
Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mula-mula arus
eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui ampere
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus eksitasi
medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar
(Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus. Gambaran
karakteristik hubung singkat alternator diberikan di bawah ini.
Gambar 1.8 Karakteristik hubung singkat alternator
Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol.
Impedansi internal mesin adalah:
Ia
EaXsRaZs 22 (1.5)
Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:
hs
OC
Ia
V
Ia
EaXs (1.6)
Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat
diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada
kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus
yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat
diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.
DC
DC
I
VRa
.2 (1.7)
Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol pada saat
pengukuran.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
3. ALAT DAN BAHAN
1. Power supply DC
2. Rpm
3. Kabel jumper
4. Mesin DC
5. Generator sinkron
6. Amperemeter
7. Voltmeter
8. Pengatur beban
9. Pengatur arus eksitasi
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
4. GAMBAR RANGKAIAN
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
5. LANGKAH KERJA
4.1 Menyiapkan alat dan bahan.
4.2 Merangkai peralatan sesuai gambar percobaan.
4.3 Percobaan No Load (tanpa Eksitasi)
4.3.1 Menyalakan power supply.
4.3.2 Mengatur motor pada tegangan 220V dan kecepatan 3000 rpm.
4.3.3 Mencatat besarnya arus dan tegangan pada I2 dan V2.
4.3.4 Menurunkan tegangan ke 0V.
4.4 Percobaan No Load (dengan Eksitasi)
4.4.1 Menaikkan tegangan sampai dengan 220V,dan kecepatan motor menjadi
3000 rpm.
4.4.2 Menyalakan saklar pengatur arus eksitasi.
4.4.3 Mengatur arus eksitasi sampai tegangan pada V1 menjadi 380V, kemudian
mengukur arus dan tegangan pada I2 dan dan V2.
4.4.4 Kemudian menurunkan arus eksitasi dan tegangan pengatur kecepatan
motor menjadi 0.
4.4.5 Selanjutnya mengatur kecepatan motor menjadi 2000 rpm.
4.4.6 Menaikkan arus eksitasi secara bertahap sampai tegangan pada V1
menjadi 380V, dimulai dari 100mA, 150mA, 200mA, 250mA, 300mA,
350mA dan catat I2 dan V2.
4.4.7 Kemudian menurunkan arus eksitasi dan kecepatan motor menjadi 0.
4.4.8 Mengulangi langkah 4.4.6 untuk kecepatan motor 2500 rpm dan 3000
rpm.
4.4.9 Menurunkan arus eksitasi dan tegangan pengatur kecepatan motor
menjadi 0.
4.5 Percobaan Load
4.5.1 Menaikkan tegangan sampai dengan 220V,dan kecepatan motor menjadi
3000 rpm.
4.5.2 Menyalakan saklar pengatur arus eksitasi.
4.5.3 Mengatur arus eksitasi sampai tegangan pada V1 menjadi 380V.
4.5.4 Mengatur saklar beban R dari 1 sampai 7, kemudian menyalakan saklar
ELCB.
4.5.5 Mengukur besarnya I1, I2, I3, I4, V1 dan V2.
4.5.6 Mengulangi langkah 4.5.4 untuk beban L dan C, menghitung besarnya I1,
I2, I3, I4, V1 dan V2.
4.5.7 Menurunkan arus eksitasi dan tegangan pengatur kecepatan motor
menjadi 0.
4.5.8 Mematikan saklar pengatur arus eksitasi, dan mematikan power supply.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
6. DATA
6.1. Load Test
Speed (min-1
) 3000 2500 2000
IE (Ma) US (V) US (V) US (V)
100 100 80 60
150 150 120 100
200 200 130 130
250 250 200 165
300 295 240 195
350 320 270 220
6.2. No load Test
Jenis
Beban R V1 I3 I1 I2 Rpm I4 V2
R
1-1-1 2,1 k 350 0,2 175 2,8 3000 290 208
2-2-2 1,5 k 350 0,3 175 2,8 3000 290 208
3-3-3 0,88 k 310 0,45 175 2,8 3000 290 208
4-4-4 0,6 k 280 0,55 175 2,8 3000 290 208
5-5-5 0,43 k 230 0,65 175 2,8 3000 290 208
6-6-6 0,3 k 180 0,7 175 2,8 3000 290 208
7-7-7 0,25 k 150 0,75 175 2,8 3000 290 208
XL
1-1-1 70,3 k 340 0,15 175 1,7 3000 290 208
2-2-2 54 k 320 0,2 175 1,7 3000 290 208
3-3-3 33,3 k 290 0,3 175 1,7 3000 290 208
4-4-4 21,7 k 250 0,4 175 1,7 3000 290 208
XC
1-1-1 - 420 0,2 175 1,7 3000 290 208
2-2-2 - 440 0,25 175 1,7 3000 290 208
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 100 200 300 400
Grafik tegangan terhadap arus pada beban R
grafik teganganterhadap arus padabeban R
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0 100 200 300 400
Grafik tegangan terhadap arus pada beban XL
grafik teganganterhadap arus padabeban XL
0
100
200
300
400
500
0 100 200 300 400 500
Grafik tegangan terhadap arus pada beban Xc
Grafik teganganterhadap arus padabeban Xc
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
7. ANALISA PERCOBAAN
Tabel 6.1. No load test
Pada tabel 6.1.3. percobaan tanpa beban menunjukkan data tegangan pada arus dan
kecepatan tertentu. Pada saat kecepatan 3000 rpm dan arus sebesar 100 mA, tegangan (Us)
menunjukkan angka 100 volt sedangkan pada kecepatan yang sama ketika arus 150 Ma
tegangan menunjukkan angka 150 volt. Pada kecepatan 2500 rpm dan arus sebesar 100 mA,
tegangan (Us) menunjukkan angka 80 volt sedangkan pada kecepatan yang sama ketika arus
150 mA tegangan menunjukkan 120 volt. Pada kecepatan 2000 rpm dan arus sebesar 100
mA, tegangan menunjukkan angka 60 volt sedangkan pada kecepatan yang sama ketika arus
150 mA tegangan menunjukkan angka 100 volt. Pada data diatas dapat dilihat bahwa
tegangan akan naik seiring dinaikkannya arus maupun kecepatan putar motor dc.
Pada percobaan ini kecepatan maksimal yang digunakan adalah 3000 rpm. Hal ini
menyesuaikan dengan spesifikasi motor dc penggerak generator. Arus dinaikkan perlahan
sampai tegangan mencapai nilai tertentu dalam hal ini adalah 380 v atau bisa juga lebih tetapi
harus tetap menyesuaikan dengan batas kemampuan ukur voltmeter yang digunakan.
Tabel 6.2. Load Test
Pada percobaan dengan beban resistif, diberikan tegangan awal (V2) 208 V dengan
kecepatan 3000 rpm, kemudian diberikan arus eksitasi dengan tegangan hingga 380 Volt.
Diperoleh data ketika beban R 1-1-1 tegangan eksitasi menunjukkan angka 350 Volt dan arus
beban menunjukkan angka 0,2 Ampere. Ketika beban R 3-3-3 diperoleh data tegangan
eksitasi 310 Volt dan arus beban 0,45 Ampere.
Pada percobaan dengan beban induktif, diberikan tegangan awal (V2) 208 V dengan
kecepatan 3000 rpm, kemudian diberikan arus eksitasi dengan tegangan hingga 380 Volt.
Diperoleh data ketika beban XL1-1-1 tegangan eksitasi menunjukkan angka 340 Volt dan
arus beban menunjukkan angka 0,15 Ampere. Ketika beban XL 3-3-3 diperoleh data tegangan
eksitasi 290 Volt dan arus beban 0,3 Ampere.
Pada percobaan dengan beban kapasitif, diberikan tegangan awal (V2) 208 V dengan
kecepatan 3000 rpm, kemudian diberikan arus eksitasi dengan tegangan hingga 380 Volt.
Diperoleh data ketika beban Xc 1-1-1 tegangan eksitasi menunjukkan angka 420 Volt dan
arus beban menunjukkan angka 0,2 Ampere. Ketika beban Xc 2-2-2 diperoleh data tegangan
eksitasi 440 Volt dan arus beban 0,25 Ampere.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Berdasarkan data diatas, dapat dilihat bahwa tegangan akan turun dan arus akan naik
seiring dinaikkannya beban dan kecepatan motor konstan.
8. KESIMPULAN
1. Pembebanan pada motor sinkron harus memperhatikan nilai beban dan arus eksitasi.
2. Semakin besar beban, maka semakin besar pula arus eksitasi yang dibutuhkan.
3. Semakin besar nilai beban maka semakin kecil arus yang mengalir.
LAPORAN PRAKTIKUM MESIN LISTRIK LT 2D
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG 2014
Daftar Pustaka
1. http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/04/generator-sinkron.html
2. http://affrins.blogspot.com/2012/05/motor-sinkron.html
3. http://faizalnizbah.blogspot.com/2013/08/pengertian-dan-prinsip-kerja-motor.html