6 BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Umum Konversi energi elektromagnetik

BABII2
BAB
DASAR
DASARTEORI
TEORI
2.1
Umum
Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk
mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator
sinkron (altenator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk
menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis
menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang
digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik
diperoleh
dari proses dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada
kumparan stator dan rotornya.
Generator sinkron dengan defenisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa
frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator
tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus
searah akan menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang
sama dengan kecepatan putar rotor.
Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak – balik 1 fasa
b. Generator arus bolak – balik 3 fasa
6
Universitas Sumatera Utara
Sebelum membahas tentang generator sinkron, terlebih dahulu kita mengetahui
tentang generator listrik. Generator listrik adalah suatu mesin listrik dimana dalam
proses kerjanya melakukan pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi
listrik. Generator listrik dan motor listrik mempunyai kesamaan, yaitu sama-sama
memanfaatkan induksi listrik yang terjadi di dalam kedua perangkat/sistem. Akan
tetapi fungsi dari kedua sistem tersebut berbeda, dimana motor listrik melakukan
konversi energi listrik menjadi mekanik.
2.2
Defenisi Generator Sinkron
Generator sinkron merupakan salah satu jenis generator listrik dimana terjadi
proses pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik, (sama seperti
generator listrik) yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang memotong
suatu medan elektromagnetik yang dihasilkan di stator sehingga kemudian
menyebabkan timbulnya energi listrik. Induksi elektromagnetik yang terjadi dalam
generator merupakan bentuk aplikasi nyata dari Hukum Faraday yang
menyatakan:
1. “Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari sebuah medan
magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul
tegangan induksi”.
2. “Perubahan flux magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar,
akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut”.
7
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan jika dijabarkan dengan persamaan matematisnya, persamaannya
adalah sebagai berikut:
einduksi   N
d
dt
(2.1)
dimana,
einduksi
: tegangan induksi elektromagnetik (GGL induksi)
N
: jumlah lilitan
d
dt
: laju perubahan fluks magnetik (wb/s)
Keterangan :
Nilai atau tanda minus (-) pada lilitan merupakan bentuk penerapan dari
Hukum Lenz yang mengatakan:
“Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan
dengan sumber perubahan fluks magnetik“.
2.3
Konstruksi Generator Sinkron
Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari dua bagian yang diam
(stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Keduanya merupakan rangkaian
magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu pada generator sinkron
terdapat bagian yang memisahkan antara rotor dan stator yang biasa disebut dengan
celah udara yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi energi
listrik dari rotor ke stator.
8
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron secara umum
Stator
Stator (armature) adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk
menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan
melalui stator. Komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat
konduktor yang sangat banyak.
Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :
1. Rangka Stator
Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang merupakan inti jangkar
generator sinkron.
2. Inti Stator
Inti stator terbuat dari laminasi – laminasi baja campuran atau besi magnetik
khusus yang terpasang kerangka stator.
9
Universitas Sumatera Utara
3. Alur (slot) dan Gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan jangkar. Ada 3 (tiga)
bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah terbuka, dan tertutup. Ketiga
bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti
Gambar 2.2 Bentuk - bentuk alur (slot)
4. Kumparan Stator ( Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan
bagian dimana timbulnya ggl induksi.
Rotor
Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu:
a. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi
dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasang ke slip
ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush)
yang letaknya menempel pada slip ring.
10
Universitas Sumatera Utara
b. Kumparan Rotor (Kumparan Medan)
Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama
dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari
sumber eksitasi tertentu.
c. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana
pada poros rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap
poros rotor.
Pada generator sinkron terdapat 2 (dua) jenis tipe rotor yaitu : rotor kutub
menonjol dan rotor kutub tak menonjol ( cylindrical rotors). Rotor kutub menonjol
biasanya dihubungkan dengan turbin hydrolic putaran rendah sedangkan rotor
kutub tak menonjol biasanya dihubungkan pada turbin putaran tinggi.
1. Rotor kutub menonjol (Salient pole rotors)
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan
dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk
mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan
medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor
berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek. Selain itu jenis kutub salient
pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan
medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka kutub
yang berdekatan akan membentuk kutub yang berlawanan. Bentuk kutub menonjol
generator sinkron tampak seperti Gambar 2.3 berikut :
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Rotor kutub menonjol (sileant poles)
Rotor kutub menonjol pada umumnya digunakan pada generator sinkron
dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120 – 400 rpm). Generator seperti
ini biasanya dikopel dengan mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit
listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan pada putaran rendah dan sedang
karena :
•
Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan
mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
•
Konstruksi rotor kutub menonjol akan mengalami rugi – rugi yang besar
dan menimbulkan polusi suara jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai
sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga kumparan
medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang dapat dibuat.
Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri
yang di enerjais oleh eksiter.
12
Universitas Sumatera Utara
Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang.
Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugirugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor).
Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4
berikut :
Gambar 2.4 Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan
putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk pembangkit listrik
berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan gas. Rotor silinder
baik digunakan pada kecepatan tinggi karena:
•
Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga
lebih baik rotor kutub menonjol.
•
Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.
13
Universitas Sumatera Utara
2.4
Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Apabila generator sinkron melayani beban, ,maka pada kumparan jangkar
mengalir arus, dan arus ini menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangar yang
ditimbulkan arus (ф𝐴 ) akan berinteraksi dengan yang dihasilkan kumparan medan
rotor (ф𝐹 ), sehingga menghasilkan fluks resultan (ф𝑅 )
ф𝑅 = ф𝐹 + ф𝐴
(2.2)
Adanya interaksi ini dikenal sebagai reaksi jagkar.
Kondisi reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban adalah sebagai
berikut :
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E).
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E).
Jenis beban : Tahanan (resistif).
Tahananф(resistif).
ф𝐴Jenis
tegakbeban
lurus :terhadap
𝐹
ф𝐴 tegak lurus terhadap ф𝐹
(a). Beban Resistif
Arus jangkar (I) terlebih dahulu θ dari GGL (E).
Jenis beban : Kapasitif
ф𝐴 terbelakang dengan sudut (90 – θ)
(b). Beban Kapasitif
14
Universitas Sumatera Utara
Arus jangkar (I) terdahulu 90 dari GGL (E).
Jenis beban : Kapasitif murni
ф𝐴 memperkuat ф𝐹 , terjadi pengaruh pemagnetan.
(c). Beban Kapasitif Murni
Arus jangkar (I) terbelakang 90 dari GGL (E).
Jenis beban : Induktif murni
ф𝐴 memperlemah ф𝐹 , terjadi pengaruh pendemagnetan
.
(d). Beban induktif Murni
Gambar 2.5 Reaksi Jangkar terhadap beban
Terlihat bahwa reaksi jangkar pada alternator bergantung pada jenis beban
yang dilayani,, dengan perkataan lain bergantung pada sudut fasa antara arus
jangkar (I) dan tegangan induksi (GGL).
15
Universitas Sumatera Utara
2.5
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Generator dapat menghasilkan energi listrik karena adanya pergerakan relatif
antara medan magnet homogen terhadap kumparan jangkar pada generator (magnet
yang bergerak dan kumparan jangkar diam, atau sebaliknya magnet diam
sedangkan jangar bergerak). Jadi, jika kumparan diputar pada kecepatan konstan
pada medan magnet homogen maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada
kumparan tersebut medan magnet homogen ini bisa dihasilkan oleh kumparan yang
dialiri arus DC atau magnet tetap.
Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai
berikut :
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan
medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan
maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
𝑛=
Dimana :
120 . 𝑓
𝑝
(2.3)
n = kecepatan putar rotor (rpm)
p = Jumlah kutub rotor
f = frekuensi (Hz)
3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang
dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor,
akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar
16
Universitas Sumatera Utara
yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah
besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang
melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujungujung kumparan tersebut. Hal tersebut sesuai dengan Persamaan (2.4) dan
Persamaan (2.5) berikut :
𝑒 = −𝑁
𝑒 = −𝑁
𝑑ф
𝑑𝑡
(2.4)
𝑑ф𝑚 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡
𝑑𝑡
= −𝑁 𝜔ф𝑚 𝐶𝑜𝑠𝜔𝑡
Bila : 𝜔 = 2𝜋𝑓
= −𝑁(2𝜋𝑓)ф𝑚 𝐶𝑜𝑠𝜔𝑡
𝑛𝑝
Bila : 𝑓 = 120
𝑛𝑝
) ф 𝐶𝑜𝑠𝜔𝑡
120 𝑚
𝑛𝑝
= −𝑁 (2.3,14.
) ф 𝐶𝑜𝑠𝜔𝑡
120 𝑚
𝑛𝑝
𝐸𝑚 = 𝑁 (2.3,14.
)ф
120 𝑚
𝑛𝑝
𝑁 (2.3,14. 120) ф𝑚
𝐸𝑚𝑎𝑘𝑠
𝐸𝑒𝑓𝑓 =
=
√2
√2
4,44𝑁𝑝𝑛 ф𝑚
=
120
= −𝑁 (2𝜋
Dimana :
4,44𝑁𝑝𝑛 ф𝑚
=𝐶
120
17
Universitas Sumatera Utara
Sehingga didapat persamaan :
𝐸𝑒𝑓𝑓 = 𝐶𝑛ф𝑚
(2.5)
Dimana :
𝐸𝑒𝑓𝑓
= ggl induksi (volt)
n
= Putaran (rpm)
N
= jumlah lilitan
f
= Frekuensi (Hz)
C
= Konstanta
ф𝑚
= Fluks magnet (Wb)
p
= Jumlah kutub
Untuk generator sinkron tiga fasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang
ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan
kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada
ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama lain.
Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan
energi listrik.
18
Universitas Sumatera Utara
2.6
Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitan-
belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu belitan konduktor akan
mengandung tahanan (R) dan induktansi (L), maka belitan stator akan mengandung
tahanan stator (Ra) dan induktansi sendiri (Lf). Akibat adanya pengaruh reaktansi
reaksi jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka rangkaian ekivalen suatu
generator sinkron dapat dibuat seperti gambar berikut:
.
Gambar 2.6 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Dengan melihat Gambar 2.6 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator
sinkron sebagai berikut :
𝐸𝑎 = 𝑉 + 𝑗𝑋𝑎𝑟 𝐼𝑎 + 𝑗𝑋𝑙𝑎 𝐼𝑎 + 𝑅𝑎 𝐼𝑎
(2.6)
Dan dengan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
𝑉 = 𝐸𝑎 − 𝑗𝑋𝑎𝑟 𝐼𝑎 − 𝑗𝑋𝑙𝑎 𝐼𝑎 − 𝑅𝑎 𝐼𝑎
(2.7)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai
reaktansi sinkron, atau
𝑋𝑠 = 𝑋𝑎𝑟 + 𝑋𝑙𝑎 dapat dilihat pada Gambar 2.7 maka
persamaan menjadi :
19
Universitas Sumatera Utara
𝑉 = 𝐸𝐴 − 𝑗𝑋𝑠 𝐼𝑎 − 𝑅𝑎 𝐼𝑎((𝑉𝑜𝑙𝑡)
(2.8)
Dimana :
𝑉𝑓
= Tegangan eksitasi (volt)
𝑅𝑓
= Tahanan Belitan (Ohm)
𝐿𝑓
= Induktansi Belitan Medan (Henry)
𝑅𝑎𝑑𝑗
= Tahanan Variabel (Ohm)
𝐸𝑎
= Ggl yang dibangkitkan generator sinkron (Volt)
𝑉𝑡
= Tegangan terminal generator sinkron (Volt)
𝑋𝑎
= Reaktansi armatur (ohm)
X
= Reaktansi bocor (ohm)
𝑋𝑠
= Reaktansi sinkron (ohm)
𝐼𝑎
= Arus Jangkar (Ampere)
Gambar 2.7 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
20
Universitas Sumatera Utara
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan
bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor.
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa
2.7
Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron
Cara menentukan pengaturan tegangan untuk mesin – mesin kecil dapat
diperoleh dengan cara langsung, yaitu generator sinkron diputar pada kecepatan
nominal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal (V) pada beban
penuh, kemudian beban dilepas dengan menjaga agar putaran tetap konstan. Selain
itu, arus eksitasi juga harus dijaga konstan. Maka, akan diperoleh harga tegangan
pada beban nol (E0) sehingga regulasi tegangan dapat dihitung.
21
Universitas Sumatera Utara
Untuk mesin – mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan
regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali tidak dilakukan. Hal ini
disebabkan oleh rating KVA yang sangat tinggi. Terdapat beberapa metode tidak
langsung yang hanya memerlukan sejumlah kecil daya jika dibandingkan dengan
daya yang diperlukan pada metode langsung. Beberapa metode tersebut antara lain:
a. Metode impedansi sinkron (EMF)
b. Metode ampere lilit (MMF)
c. Metode Potier (zero power factor)
d. Metode New ASA (American Standard Association)
Dimana untuk setiap metode tersebut diperlukan data – data sebagai berikut :
1. Tahanan Jangkar
Tahanan jangkar Ra per phasa ditentukan dengan menggunakan metode
pengukuran langsung dan bernilai searah (DC). Harga tahanan jangkar efektif (AC)
lebih besar daripada nilai DC ini karena adanya skin effect. Untuk memperoleh nilai
efektifnya, nilai hasil pengukuran (nilai DC) biasanya dikalikan faktor kali :
𝑅𝑎 = 1,3 𝑅𝑑𝑐
2.
(2.9)
Karakteristik beban nol atau open circuit characteristic (OCC).
Sama seperti kurva magnetisasi pada suatu mesin DC, karakteristik beban nol
dari suatu generator sinkron adalah kurva antara tegangan terminal jangkar
(tegangan phasa – phasa) pada keadaan hubungan terbuka dan arus medan ketika
generator sinkron (alternator) bekerja pada kecepatan nominal.
3. Karakteristik hubung singkat atau short circuit characteristic (SCC).
22
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik hubung singkat (SCC) ditentukan dengan cara terminal –
terminal armatur dihubung singkat melalui amperemeter dan arus medan (If)
dinaikkan secara bertahap dari nol hingga diperoleh arus hubung singkat (ISC)
bernilai hampir dua kali arus nominal. Selama test ini kecepatan yang mungkin
bukan kecepatan sinkron harus dijaga konstan. Untuk metode Portier faktor daya
adalah nol.
Tidak diperlukan pembacaan lebih dari sekali karena SCC merupakan suatu
garis lurus yang melewati titik awal. Hal ini disebabkan karena tahanan jangkar Ra
lebih kecil daripada reaktansi sinkron (Xs), arus hubung singkat (ISC) tertinggal
hampir sebesar 90º terhadap tegangan terinduksi Vf. Akibatnya, fluks armatur (Φa)
dan fluks medan (Φf ) berlawanan arah sehingga fluks resultan (ΦR) bernilai kecil.
Karena (ΦR) bernilai kecil, pengaruh saturasi akan diabaikan dan arus hubung
singkat (ISC) berbanding lurus dengan arus medan melebihi batas (range) dari nol
sampai melampaui arus nominal.
2.8
Efek Perubahan Beban Pada Generator yang Beroperasi Sendiri
Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya
daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan
beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan arus
saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang berpengaruh
terutama oleh faktor daya beban, seperti pada Gambar di bawah ini , diperlihatkan
diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya
satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan terminal setelah beban
23
Universitas Sumatera Utara
dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan terminal
pada saat awal.
a. Beban Induktif
b. Beban Resistif
c. Beban Kapasitif
Gambar 9 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah
24
Universitas Sumatera Utara
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi
tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan maka
tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan, maka
tegangan terminal cenderung membesar.
Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan
meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea, karena
Ea=K. фω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai fluksi
tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah fluksi,
begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubah-ubah. Selain
besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai
dengan faktor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal generator yang
stabil.
Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri:
1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban.
2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya
yang dihasilkan.
3. Pengaturan Arus Medan akan mempengaruhi nilai tegangan terminal.
25
Universitas Sumatera Utara
2.9
Karakteristik dan Penentuan Parameter – Parameter Generator Sinkron
Tiga Fasa
Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : 𝑬𝟎 = 𝑬𝟎 (𝑰𝒇 )
Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat
ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki
langkah-langkah sebagai berikut :
a) Generator diputar pada kecepatan nominal (n).
b) Tidak ada baban yang terhubung pada terminal.
c) Arus medan (𝑰𝒇 ) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap.
d) Catat harga tegangan terminal ( 𝑉𝑡 ) pada setiap harga arus medan (𝑰𝒇 )
Gambar 2.10 Rangkaian Test Tanpa Beban
Dari gambar dapat diperoleh persamaan umum generator :
𝐸𝑎 = 𝑉ф + 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.10)
Pada hubungan generator terbuka (beban nol), 𝐼𝑎 = 0. Maka :
𝐸𝑎 = 𝑉ф = 𝐶𝑛ф
(2.11)
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka ф yang dihasilkan ф𝑓. Sehingga:
𝐸𝑎 = 𝑐𝑛ф𝑓
(2.12)
𝐸𝑎 = 𝑐𝑛𝐼𝑓
(2.13)
26
Universitas Sumatera Utara
Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi :
𝐸𝑎 = 𝑘1 𝐼𝑓
Dimana :
(2.14)
𝐸𝑎 = Tegangan beban nol (Volt)
𝐼𝑓 = Arus medan (Ampere)
k = konstanta
Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan VΦ vs If yang disebut juga dengan
karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open - Circuit
Characteristic).
Gambar 2.11 Karakteristik Hubung Terbuka
Dari Gambar 11 di atas terlihat bahwa pada awalnya kur va berbentuk hampir
benar – benar linear. Hingga pada harga – harga arus medan yang tinggi, bentuk
kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai mesin sinkron
memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada reluktansi air gap.
Sehingga pertama – tama hampir seluruh MMF melewati celah udara dan
peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami saturasi,
reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih lambat dengan
peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut karakteristik air gap
line.
27
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung
Singkat : 𝑰𝑺𝑪 = 𝑰𝑺𝑪 (𝑰𝒇 )
Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang
dihubungkan singkat tersebut beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain:
a) Generator diputar pada kecepatan nominal
b) Atur arus medan (𝑰𝒇 ) pada nol
c) Hubung singkat terminal.
d) Ukur arus armatur (𝑰𝑎 ) pada setiap peningkatan arus medan (𝑰𝒇 )
Dimana rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan
pada Gambar 11 berikut :
Gambar 2.12 Rangkaian Hubung Singkat
Dari gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah sama
dengan Persamaan 2.10
Pada saat generator sinkron dihubung singkat, 𝑉ф = 0 dan 𝑰𝑎 =𝑰𝑆𝐶
𝐸𝑎 = 𝐼𝑆𝐶 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.15)
𝑐𝑛ф = 𝐼𝑆𝐶 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.16)
Karena cn dan (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 ) bernilai konstan, maka :
𝑐𝑛 = 𝑘1
(2.17)
(𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 ) = 𝑘2
(2.18)
Sehingga persamaan menjadi :
𝑘1 𝐼𝑓 = 𝐼𝑆𝐶 . 𝑘2
28
Universitas Sumatera Utara
(2.19)
𝐼𝑆𝐶 =
𝑘1
𝑘2
(2.20)
. 𝐼𝑓
Pada karakteristik generator hubung singkat bentuk kurva adalah linear. Hal ini
disebabkan oleh medan magnet yang terjadi sangat kecil sehingga inti besi tidak
mengalami saturasi. Gambar 13 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik
hubung singkat pada generator sinkron.
Gambar 2.13 Karakterisik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
𝐼𝑎 = 𝐼𝑆𝐶 =
𝐸0
(2.21)
√𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠
Dari kedua test tersebut di atas diperoleh :
- Ea dari test beban nol (Open Circuit)
- Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)
Diperoleh impedansi sinkron : 𝑍𝑠 = √𝑅𝑎2 + 𝑋𝑠2 =
𝐸𝑎
𝐼𝑎
Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : ZS ≈ XS ≈
Dimana :
𝐸𝑎
𝐼𝑎
𝐸0 = Tegangan beban nol (volt)
𝐼𝑎 = Arus Jangkar (ampere)
𝐼𝑆𝐶 = Arus hubung singkat (Ampere)
29
Universitas Sumatera Utara
𝑅𝑎 = Tahanan jangkar (Ohm)
𝑋𝑠 = Impedansi sinkron (ohm)
Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Berbeban V = V(If)
Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban
antara lain sebagai berikut:
a) Generator diputar pada kecepatan nominal (n).
b) Beban (ZL) terpasang pada terminal generator sinkron.
c) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap.
d) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If).
Gambar 2.14 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
Dari gambar 13 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
𝐸𝑎 = 𝑉ф + 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.22)
𝑉ф = 𝐸𝑎 − 𝐼𝑎 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.23)
Karakteristik Luar Generator Sinkron : 𝑽ф = f (𝑰𝑳 )
Karakteristik ini memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus beban (𝐼𝐿 )
terhadap tegangan terminal generator sinkron (𝑉ф ). Dalam penentuan karakteristik
luar generator sinkron, beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut:
a) Kecepatan putar generator sinkron (n) tetap.
b) Arus medan (If) konstan).
30
Universitas Sumatera Utara
c) Faktor daya (Cos θ) tetap.
Dari gambar rangkaian generator sinkron berbeban yang telah diperlihatkan
pada Gambar 14 sebelumnya, diperoleh persamaan seperti Persamaan 2.22 dan
Persamaan 2.23.
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang
mengalir pada beban atau :
𝐼𝑎 = 𝐼𝐿
(2.24)
𝑉ф = 𝐸𝑎 − 𝐼𝐿 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.25)
𝑉ф = 𝑐𝑛ф − 𝐼𝐿 𝑍𝑠
(2.26)
𝑉ф = 𝑐𝑛𝐼𝑓 − 𝐼𝐿 𝑍𝑠
(2.27)
𝑉ф = 𝑘1 − 𝐼𝐿 𝑍𝑠
(2.28)
𝑉ф = 𝑘1 − 𝐼𝐿 𝑘2
(2.29)
Maka :
Karena c, n, dan If konstan :
Nilai Zs tetap, sehingga :
Jika arus beban (𝐼𝐿 ) = 0 (beban nol), maka :
𝑉ф = 𝑘1
(2.30)
Jika tegangan terminal (𝑉ф ) = 0 (hubung singkat), maka :
𝐼𝑓 =
𝑉ф
𝐼𝐿 𝑍𝑠
+
𝑐𝑛
𝑐𝑛
(2.31)
Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)
Karakteristik ini menunjukkan hubungan antara perubahan arus beban (IL)
terhadap arus medan (𝐼𝑓 ) generator sinkron. Dimana, dalam karakterisik ini perlu
diperhatikan hal – hal berikut :
31
Universitas Sumatera Utara
a) Tegangan terminal 𝑉ф dijaga konstan.
b) Putaran tetap.
c) Faktor daya (Cos θ) tetap.
Persamaan untuk generator berbeban sama dengan persamaan 2.22 dan arus
pada beban sama dengan persamaan 2.23 sehingga didapat persamaan :
𝑉ф = 𝐸𝑎 + 𝐼𝐿 (𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑠 )
(2.32)
𝑐𝑛ф = 𝑉ф + 𝐼𝐿 𝑍𝑠
𝑐𝑛𝐼𝑓 = 𝑉ф + 𝐼𝐿 𝑍𝑠
𝐼𝑓 =
𝑉ф
𝐼𝐿 𝑍𝑠
−
𝑐𝑛
𝑐𝑛
(2.33)
Karena c,n, 𝑉ф , dan 𝑍𝑠 konstan maka :
𝑐𝑛 = 𝑘1
𝑉ф = 𝑘2
𝑍𝑠 = 𝑘3
Sehingga diperoleh :
𝐼𝑓 =
𝑘2
𝑘3
−
𝐼
𝑘1 𝑘1 𝐿
(2. 34)
32
Universitas Sumatera Utara