Chapter II

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Generator Sinkron
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi
mekanis berupa putaran menjadi energi listrik. Energi mekanis diberikan oleh
penggerak mulanya, sedangkan energi listrik akan dihasilkan pada rangkaian
jangkarnya. Dengan ditemukannya Generator sinkron atau alternator, telah
memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan energi yang
terkandung pada batu bara, air, minyak, gas uranium ke dalam bentuk yang
bermanfaat dan mudah digunakan yaitu listrik dalam rumah tangga dan industri.
Generator sinkron atau Generator AC (alternating current). Dikatakan
Generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran
medan magnet pada stator. Kecepatan Sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar
rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama
dengan medan putar pada stator. Mesin Sinkron tidak dapat start sendirii karena
kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikutii kecepatan medan putar pada waktu
sakelar teerhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator
sinkron tiga phasa atau generator sinkron tiga phasa.[1]
Generator sinkron dengan definisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa
frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator
tersebut. Rotor generator sinkron yang diputar dengan penggerak mula (prime
mover) yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan
menghasilkan medan magnet putar dengan kecepatan dan arah putar yang sama
4
Universitas Sumatera Utara
dengan putaran rotor tersebut. Hubungan antara medan magnet pada mesin
dengan frekuensi listrik pada stator ditunjukkan pada persamaan 2.1 dibawah ini:
f=
dimana :
.
...............................(2.1)
f = Frekuensi listrik (Hz)
ns = Kecepatan sinkron
p = Jumlah kutub
Generator sinkron sering kita jumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga
listrik (dengan kapasitas yang relatif besar). Misalnya, pada PLATA, PLTU,
PLTD dan lain-lain. Selain generator dengan kapasitas besar, kita mengenal juga
generator dengan kapasitas yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan
untuk penerangan darurat yang sering disebut generator set atau generator
cadangan.[2]
2.1.1
Kontruksi generator sinkron
Pada prinsipnya, konstruksi Generator sinkron sama dengan motor
sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian
yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian
magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu generator sinkron
memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat
terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke-stator.
Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi sederhana dari sebuah generator sinkron
secara umum :
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron Secara Umum
a. Rotor
Rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :
1. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi
dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan
ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui
sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.
2. Sikat
Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga
yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi
sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan
pada rotor generator sikron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu.
6
Universitas Sumatera Utara
3. Kumpara rotor (kumparan medan)
Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama
dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus
searah dari sumber eksitasi tertentu.
4. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana
pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap
poros rotor.
Bentuk suatu rotor dari generator sinkron dapat dilihat pada Gambar
2.2 berikut:
Gambar 2.2 Rotor Generator Sinkron
Rotor pada generator sinkron pada dasarnya sebuah elektromagnet
yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient pole (kutub
menonjol) dan non salient pole (kutub silinder atau tak menonjol).
1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)
7
Universitas Sumatera Utara
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 :
Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron
Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron
dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120-400 rpm). Generator
sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air
pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan
untuk putaran rendah dan sedang karena :
8
Universitas Sumatera Utara

Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan
mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.

Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara
bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol (Rotor Silinder)
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang
mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slotslot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub
pun sedikit yang dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada aluralur di sisi luarnya dan terhubung seri yang di enerjais oleh eksiter.
Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat
panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih
baik karena rugi-rugi 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 Silinder Generator Sinkron
9
Universitas Sumatera Utara
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron degan
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 disekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus
sehinggu lebih baik dari kutub menonjol.

Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar
tinggi.
b. Stator
Stator atau armatur adalah bagian generator yang berfungsi sebagai tempat
untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban
disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder
dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak
bergerak). Oleh sebab itu komponen ini juga disebut sebagai stator.
Bentuk suatu stator dari generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.5
berikut:
Gambar 2.5 Gambar Stator Generator Sinkron
10
Universitas Sumatera Utara
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.
3. Alur (slot) dan Gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator yaitu
kumparan jangkar. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah
terbuka, dan tertutup. Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti
Gambar 2.6 berikut
Gambar 2.6 Bentuk-bentuk Alur
4. Kumparan Stator (Kuparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
merupakan timbulnya ggl induksi.[1]
11
Universitas Sumatera Utara
2.1.2
Metode Eksitasi Pada Generator Sinkron
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron,
sistem eksitasi terdiri dari dua jenis yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan
sikat (brushless excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat
(brushless). Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu :
1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah).
2. Sistem eksitasi statis.
Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari :
1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai.
2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator (PMG).
a. Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah)
Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh dari
sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter. Generator
sinkron dan generator arus serah tersebut terkopel dalam satu poros, sehingga
putaran generator arus searah sama dengan putaran generator sinkron.
Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan
kebelitan rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring. Akibatnya
arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan menimbulkan
medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolakbalik pada kumparan utama yang terletak distator generator sinkron.
Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu generator
arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip
ring dan sikat menimbulkan masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber
12
Universitas Sumatera Utara
arus searah padabelitan medan generator sinkron. Terdapat sikat arang yang
menekan slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya. Selain
itu pada generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang menekan
komutator. Selama pemakaian slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur,
generator arus searah juga memiliki keandalan yang rendah. Karena hal-hal
seperti diatas dipikirkan hubungan lain dan dikenal sebagai generator sinkron
static exciter (penguat statis). Gambar 2.7
adalah sistem eksitasi yang
menggunakan generator arus searah.
Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus Searah
b. Sistem Eksitasi Statis
Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak
bergerak (static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan
rotor generator sinkron. Sistem eksitasi statis (static excitation sistem) atau
disebut juga dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak
memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron.
Sumber eksitasi pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan output
generator itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan
penyearah thyristor.
13
Universitas Sumatera Utara
Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, manet sisa ini akan
menimbulkan tegangan pada stator tegangan ini kemudian masuk dalam
penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang
dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai
dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu
mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan.
Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR.
Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan
sistem eksitasi statis memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator
arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada
penggerak mula hilang. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu
penyearah karena itu disebut eksiter statis.
System Tiga Phasa
Transformator
eksitasi
PT
Konverter
AVR
CT
Gambar 2.8 Gambar eksitasi statis
Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem
eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena
14
Universitas Sumatera Utara
generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk
mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini
menyebabkan system eksitasi ini tidak efisien dan efektif.
c. Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai
Sistem eksitasi tanpa sikat diaplikasikan pada generator sinkron, dimana
suplai arus searah kebelitan medan dilakukan tanpa melalui sikat. Arus searah
untuk suplai eksitasi untuk awal start generator digunakan suplai dari baterai,
yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke
belitan medan AC exiter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini
disearahkan oleh penyearah yang menggunakan dioda, yang disebut rotating
rectifier, yang diletakkan pada bagian poros ataupun pada bagian dalam dari
rotor generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai
dengan putaran rotor, seperti pada Gambar 2.9 berikut:
Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai
15
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.9 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada
bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang
sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung
disalurkan kebagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan
karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki bersamasama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada
generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan penguat
(eksiter).
Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka catu
daya DC (baterai) biasanya dilepasdan digantikan oleh penyearah. Penguatan
yang dipakai adalah sistem self exitation system yaitu sistem dimana sumber daya
untuk penguatannya diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri.
Gambar
2.10
menggambarkan
sistem
eksitasi
tanpa
sikat.
Gambar 2.10 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa
16
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.10, untuk membangkitkan arus medan digunakan
penyearah, dimana arus yang disearahkan diperoleh dari keluaran tiga phasa
generator itu sendiri melalui transformator atau sering disebut Eksitasi
Transformator, berfungsi menurunkan tegangan keluaran generator untuk
disuplai pada penyearah.
d. Sisten Eksitasi Menggunakan Pemanen Magnet Generator
Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang
berputar agar generator tersebut menghasilkan tegangan pada statornya. Medan
magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber
listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor
adalah dengan menggunakan magnet permanen sebagai sumber eksitasinya ini
disebut dengan permanen magnet generator (PMG).
Generator sinkron yang berkapasitas besar biasanya menggunakan
sistem eksitasi brushless yang dilengkapi dengan permanen magnet generator.
Hal ini dimaksudkan agar sistem eksitasi dari generator sama sekali tidak
tergantung pada sumber daya listrik dari luar mesin itu. Pada Gambar 2.11 dapat
dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen
Magnet Generator.
Dari Gambar 2.11, bahwa pada bagian mesin yang berputar (rotor)
terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator eksitasi, kumparan
medan generator utama. Hal ini memungkinkan generator tersebut tidak
menggunakan slip ring dan sikat dalam pengoperasiannya sehingga lebih efektif
dan efisiensi. [1]
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator
2.1.3
Prinsi Kerja Generator Sinkron
Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah
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.
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
18
Universitas Sumatera Utara
kumparan jangkar 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 ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan
persamaan :
e N
 N
d
dt
d maksSint
dt
  NmaksCost
dimana :
  2f
  N 2f maksCost
dimana :
f 
np
120
np 

  N  2
 maks Cost
 120 
np 

E maks  N  2.3,14.
 maks
120 

Eeff 

dimana :
emaks
2
N (2.3,14.

4,44 Npn
120
(
np
 maks
120
2
,
4,44 Np
 C)
120
 Cn  ……………………………..(2.2)
19
Universitas Sumatera Utara
dimana :
E = ggl induksi (Volt)
N = Jumlah belitan
C = Konstanta
P = Jumlah kutub
n = Putaran (rpm)
f = Frequensi )Hz)
 = Fluks magnetik (weber)
Untuk generator sinkron tiga phasa, 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 120 0 satu sama
lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk
menghasilkan energi listrik.[2]
2.1.4 Reaksi jangkar
Gambar 2.12 Model Reaksi Jangkar
20
Universitas Sumatera Utara
Bila beban terhubung ke terminal generator maka pada belitan stator akan
mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator. Medan magnet
ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor. Seperti yang
dijelaskan pada Gambar 2.12.
Pada Gambar 2.12.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan
tegangan induksi EA. Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus
pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.12.b. Arus stator tadi akan
meghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan stator Estat, seperti pada
Gambar 2.12.c. Vektor penjumlahan antara Bs dan BR menghasilkan Bnet, dan
penjumlahan Estat dan EA akan menghasilkan V pada terminal jangkar.
Saat beban terhubung ke beban induktif, arus jangkar akan tertinggal
terhadap tegangan jangkar. Arus pada belitan stator akan menghasilkan medan
magnet Bs, yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator Estat. Dua tegangan
yaitu tegangan jangkar EA dan tegangan reaksi jangkar Estat akan menghasilkan
Vt, dimana:
Vt = EA + Estat …………………….(2.3)
Tegangan Reaksi Jangkar Estat = -jXIa
Sehingga Persaman (2.3) dapat ditulis kembali sebagai :
Vt = EA -jXIa......................................(2.4)
Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator
sinkron juga karena adanya tahanan Ra dan Induktansi belitan stator Xa, ,dan
21
Universitas Sumatera Utara
penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga Persamaan
(2.4) dapat ditulis kembali sebagai:
Vt = EA-jXIa-jXaIa-IaRa ……………..(2.5)
Vt = EA-jXsIa-IaRa …………………..(2.6)
dimana :
Vt = Tegangan terminal generator (Volt)
Estat = Tegangan pada stator (Volt)
EA = GGL pada jangkar (Volt)
Xs = Impedansi Sinkron (Ohm)
Ia
= Arus Jangkar (Amper)
Ra = Tahanan Jangkar (Ohm)
Xar = Impedansi armature (Ohm)
Dari Persamaan (2.6) dapat dibuat model rangkaian ekivalen generator sinkron
per fasa seperti pada Gambar 2.15 berikut:
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Perfasa Tanpa Beban
22
Universitas Sumatera Utara
2.1.5 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari
tahanan Ra dan induktansi Xla maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron
dapat dibuat seperti Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Dengan melihat Gambar 2.14 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator
sinkron sebagai berikut :
Ea = V + jXarIa + jXlaIa + Ra Ia……………………………...…(2.7)
Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
V = Ea – jXarIa – jXlaIa – Ra Ia.....................................(2.8)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor
sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = Xar + Xla dapat dilihat pada Gambar 2.15
maka persamaan menjadi:
V = EA – jXsIa – RaIa (Volt)………………………….(2.9)
23
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah
tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Diagram
fasor yang menunjukkan antara tegangan induksi perfasa dengan tegangan
terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.15
Gambar 2.16 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa
24
Universitas Sumatera Utara
2.1.6
Jenis Beban
Adapun jenis beban yang dilayani generator terbagi dua jenis, yaitu :
a.
Beban Linear
Beban linear adalah beban yang impedansinya selalu konstan sehingga
arus selalu berbanding lurus dengan tegangan setiap waktu. Beban linear ini
mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan bahwa arus berbanding lurus dengan
tegangan. Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban linear akan sama dengan
bentuk gelombang tegangan. Apabila diberi tegangan sinusoidal, maka arus yang
mengalir ke beban linear juga merupakan sinusoidal sehingga tidak terjadi distorsi
dan tidak menimbulkan
mharmonisa. Beban ini berupa elemen pasif seperti
resistor, komputer dan kapasitor. Beberapa contoh beban linear adalah lampu
pijar, pemanas, resistor, dan lain-lain.[3]
Gambar 2.17 Bentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban linear
Adapun pengaruh dari beban linear terhadap generator sinkron yaitu :
Kita
ketahui bahwa
beban linear
tersebut tidak mempengaruhi
karakteristik pada tegangan, arus, frekuensi, dan bentuk gelombang, artinya
25
Universitas Sumatera Utara
bentuk tidak berubah (tetap), artinya efek yang ditimbulkan oleh beban linear
tidaklah mempengaruhi bentuk gelombang sinusoidal, melainkan beban linear
hanya mempengaruhi besar arus dan tegangan genrator sinkron seiring kenaikan
beban.[4]
b.
Beban nonlinear
Beban non linear adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam
setiap periode tegangan masukan. Dengan impedansinya yang tidak konstan,
maka arus yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang
diberikan, sehingga beban non linear tidaklah mematuhi Hukum Ohm yang
menyatakan arus berbanding lurus dengan tegangan.
Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban nonlinear tidak sama dengan
bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi). Dengan meluasnya
pemakaian beban non linear, gelombang sinusoidal ini dapat mengalami
distorsi.[3]
Gambar 2.18 Bentuk gelombang harmonisa pada beban lampu hemat energi.
Banyaknya aplikasi beban non linear pada sistem tenaga listrik telah
membuat arus sistem menjadi sangat terdistorsi dengan persentase kandungan
26
Universitas Sumatera Utara
harmonisa arus, THD (total harmonic distortion) yang sangat tinggi. Umumnya
arus sistem tenaga listrik yang terdistorsi tersebut didominasi oleh arus harmonisa
orde ganjil frekuensi rendah, yakni arus harmonisa orde lima, tujuh, sebelas, dan
seterusnya, yang magnitud arus harmonisanya berbanding terbalik dengan orde
harmonisanya. Tingginya persentase kandungan harmonisa arus (THD) pada suatu
sistem tenaga listrik dapat menyebabkan timbulnya beberapa persoalan harmonisa
yang serius pada sistem tersebut dan lingkungannya, seperti terjadinya resonansi
pada sistem yang merusak kapasitor kompensasi faktor daya, membuat faktor
daya sistem menjadi lebih buruk, menimbulkan berbagai macam kerusakan pada
peralatan listrik yang sensitif, yang kesemuanya menyebabkan penggunaan energi
listrik menjadi tidak efektif.[5]
Adapun contoh-contoh beban linear yaitu:
-
Lampu hemat energi
-
Transformator
-
Charger
-
Motor induksi
-
Laptop, dll.
Dampak arus harmonisa pada generator sinkron yang disebabkan oleh
penggangguan beba-beban non-linear adalah sebagai berikut:
1. Beban non-linear akan menyebabkan rugi-rugi tambahan pada generator
sinkron.
2. Rugi-rugi tambahan akibat beban non-linear disebabkan oleh rugi-rugi
arus urutan nol dan rugi-rugi arus urutan negative.
27
Universitas Sumatera Utara
3. Dalam system pembangkitan energy listrik sendiri yang umumnya
menggunakan konfigurasi tiga-fasa empat-kawat, kontribusi rugi-rugi
tambahan akibat arus urutan nol lebih besar dibandingkan rugi-rugi
tambahan akibat oleh arus urutan negative.
4. Menimbulkan flux balik di stator generator dan belitan medan, [6]
Cara mengurangi harmonisa antara lain :
2.2
-
Menggunakan filter pasif L
-
Menggunakan filter pasif C
-
Menggunakan filter pasif LC (Low pass)
-
kompensasi atau injeksi harmonisa negatif.
Karakteristik dan Penentuan Parameter-parameter Generator
Sinkron Tiga Phasa
2.2.1
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 beban 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)
28
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.19 Rangkaian Test Tanpa Beban
Dari Gambar dapat diperoleh Persamaan umum generator :
E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs)…………….(2.10)
Pada hubungan generator terbuka (beban nol), Ia = 0. Maka,
E0 = VΦ = cnΦ ……………………..(2.11)
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Φ yang dihasilkan hanya Φf.
Sehingga :
E0 = cnΦf …………………………...(2.12)
E0 = cnIf .…………. ……………….(2.13)
Nilai cn adalah konstan sehingga Persamaan menjadi :
E0 = k1.If .……………………….…. (2.14)
dimana :
E0 = Tegangan beban nol (Volt)
If = Arus medan (Amper)
k = Konstanta
29
Universitas Sumatera Utara
2.2.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung
Singkat : Isc = Isc (If)
Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang
dihubung singkat terdapat 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 2.21 berikut.
Gambar 2.20 Gambar Rangkaian Hubung Singkat
Dari gambar, Persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah :
E = VΦ + Ia (Ra + jXs)………..(2.15)
Pada saat generator sinkron dihubung singkat, VΦ = 0 dan Ia = Isc . Maka :
E = Isc (Ra + jXs) ……………. (2.16)
30
Universitas Sumatera Utara
cnΦ = Isc (Ra + jXs) …………. (2.17)
Karena cn dan (Ra + jXs) bernilai konstan, maka :
cn = k1 ……………………….. (2.18)
(Ra + jXs) = k2 ………………. (2.19)
Sehingga Persamaan menjadi :
k1.If = Isc. k2 …………………. (2.20)
Isc =
k1
I f ………………….... (2.21)
k2
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 2.22 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik
hubung singkat pada generator sinkron.
I a (A )
SC C
o
I f (A )
Gambar 2.21 Karakteristik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
(Ia) = Isc =
Ea
…………………….(2.22)
Ra  jX s
31
Universitas Sumatera Utara
Harga Mutlaknya adalah :
Ea
Ia = Isc =
2
Ra  jX s
dimana :
2
………………….(2.23)
E0 = Tegangan beban nol (Volt)
Ia = Arus Jangkar (Amper)
Isc = Arus Hubung singkat (Amper)
Ra = Tahanan jangkar (Ohm)
Xs = Impedansi sinkron (Ohm)
2.2.3
Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron 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 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
32
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.24 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)…………..(2.24)
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.25)
2.2.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : VΦ = f (IL)
Karakteristik ini akan memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus
beban (IL) terhadap tegangan terminal generator sinkron (VΦ). 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
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Dari
gambar
rangkaian
generator
sinkron berbeban
yang telah
diperlihatkan pada Gambar 2.24 sebelumnya, diperoleh persamaan :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)………….(2.26)
Sehingga Persamaan tegangan terminal VΦ generator sinkron dalam keadaan
berbeban :
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.27)
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang mengalir
pada beban atau:
Ia = IL
maka :
VΦ = Ea – IL (Ra + jXs) …………. (2.28)
33
Universitas Sumatera Utara
VΦ = cnΦ – ILZs ……………..….. (2.29)
VΦ = cnIf – ILZs ……………….... (2.30)
Karena c, n dan If konstan :
VΦ = k1 – ILZS …………………... (2.31)
Nilai Zs tetap, sehingga :
VΦ = k1 – ILk2 …………………. ..(2.32)
Jika arus beban (IL) = 0 (beban nol), maka :
VΦ = k1
Jika tegangan terminal (VΦ) = 0 (hubung singkat), maka :
If 
V I l Z s
………………. (2.33)

cn
cn
2.2.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)
Karakteristik ini menunjukkan hubungan antara perubahan arus beban (IL)
dengan terhadap arus medan (If) generator sinkron. Dimana, dalam karakteristik
ini perlu diperhatikan hal-hal berikut :
a.) Tegangan terminal VΦ dijaga konstan
b.) putaran tetap
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Persamaan untuk generator berbeban (Gambar 2.24) :
Ea = VΦ + Ia ( Ra + jXS )……………..(2.34)
Pada generator berbeban :
34
Universitas Sumatera Utara
IL = Ia
sehingga :
Ea = VΦ + IL(Ra + jXS ) …………. (2.35)
cnΦ = VΦ + ILZS
cnIf = VΦ + ILZS
If =
V
I L ZS
………………..…. (2.36)
cn cn

karena nilai c, n, VΦ, dan Zs konstan, maka :
cn = k1
VΦ = k2
Zs = k3
sehingga diperoleh :
If =
k2 k3
 I L ………………..…. (2.37)
k1 k1
jika,
k2
 k4
k1
k3
 k5
k1
maka,
If = k4 – k5IL……………….……. (2.38)
35
Universitas Sumatera Utara
2.2.6
Faktor Daya
Tegangan yang dibangkitkan pada generator sinkron adalah arus bolak-
balik, maka biasanya digambarkan dalam bentuk phasor. phasor ini mempunyai
dua besaran yaitu besaran saklar (magnitude) dan besaran sudut, dimana
hubungan keduanya harus digambarkan dalam dua dimensi. Bila EΦ Vt, jXSIa dan
IaRa digambar dalam satu gambar yang menunjukkan hubungan antara besaranbesaran tersebut, maka hasil dari gambar ini dinamakan Diagram Phasor.
Gambar 2.21.a menunjukkan hubungan, dimana generator melayani beban
dengan faktor daya satu (beban resistif murni). Gambar 2.21, total tegangan Ea
berbeda dengan tegangan Phasa Vb ini disebabkan tegangan drop pada elemen
resistif dan induktif pada mesin. Semua tegangan dan arus dari Gambar 2.21.a ini
direferensikan terhadap Vt, (Vt sebagai referensi, Vt  Vt  00 .
Diagram phasor ini dapat dibandingkan dengan diagram phasor untuk
generator yang melayani beban induktif dan kapasitif (lagging dan leading),
dimana diagram phasor untuk kedua beban ini masing-masing diperlihatkan pada
Gambar 2.21.b dan Gambar 2.21.c. Perlu dicatat bahwa arus jangkar dan tegangan
phasa yang diberikan, bahwa Ea yang dibutuhkan untuk beban langging (beban
induktif) lebih besar dibandingkan dengan Ea yang dibutuhkan untuk beban
kapasitif. Oleh karena itu, untuk beban lagging membutuhkan arus medan yang
besar untuk mendapatkan tegangan terminal yang sama, karena:
Ea = KΦω
Dimana dalam hal ini ω dijaga konstan untuk mendapatkan frekuensi konstan.
36
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.23 Diagram Phasor Generator Sinkron.
(a) Berbeban Resistif, (b) Berbeban Induktif, (c) Berbeban Kapasitif
2.2.7
Regulasi Tegangan Generatos Sinkron Dengan Metode Impedansi
Sinkron
Dalam metode ini akan diperoleh nilai impedansi sinkron Zs (kemudian
reaktansi sinkron Xs) sebuah generator sinkron dari karakteristik beban nol (OCC)
dan hubung singkat (SCC). Oleh karena itu disebut metode impedansi sinkron.
Metode ini memiliki langkah-langkah sebagai berikut.
37
Universitas Sumatera Utara
-
Gambar karakteristik beban nol (OCC) dari data yang diberikan test beban nol
(gambar 2.22)
-
Gambar karakteristik hubung singkat (SCC) dari data yang diberikan oleh test
hubung singkat (gambar 2.22). kedua kurva tersebut digambarkan pada dasar
nilai arus medan yang sama.
Arus medan dilambangkan dengan (If). Tegangan beban nol (hubung terbuka)
yang berpotongan dengan arus medan If dilambangkan dengan (E1). Ketika
terminal-terminal jangkar dihubung singkat, tegangan terminal (VΦ) bernilai
nol. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa seluruh tegangan E1 digunakan
untuk menggerakkan (sirkulasi) arus hubung singkat yang disimbolkan dengan
I1 melawan impedansi sinkron (Zs) .
Maka, E1 = I1Zs
Zs 
E1 (open circuit )
..............................................(2.39)
I 1 ( short circuit )
Sebagai catatan, E1 dan I1 merupakan nilai phasa-phasa.
Gambar 2.24 Diagram Karakteristik Metode Impedansi Sinkron
38
Universitas Sumatera Utara
-
Karena Ra diabaikan, maka Zs = Xs
-
Dari vektor diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.33 dapat dibuat
persamaan Ea untuk beban Resistif, induktif, dan kapasitif dan faktor dayanya.
Untuk beban resistif dari Gambar 2.23.a diperoleh :
E A  V    X S I A  ........................................................(2.40)
2
2
Untuk beban Induktif dari Gambar 3.3b diperoleh :
E A  V  X S I A sin    X s I A cos  ...........................(2.41)
2
2
Untuk beban Kapasitif dari Gambar 3.3c diperoleh :
E A  V  X S I A sin    X s I A cos  ............................(2.42)
2
2
Maka regulasi tegangan adalah :
% regulasi tegangan 
E0 V
x 100 % .................................(2.43)
V
39
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.25 Diagram Phasor Generator Sinkron Untuk Menggambarkan Regulasi
Tegangan, (a) Beban Resistif, (b) Beban Induktif, (c) Beban Kapasitif
2.3
Rugi-rugi Generator Sinkron
Daya mekanik yang masuk ke generator tidak dapat
40
Universitas Sumatera Utara
sepenuhnya diubah menjadi daya elektrik [7]. Perbedaan daya tersebut merupakan
rugi-rugi generator sinkron. Rugi-rugi generator sinkron terdiri dari :
• Rugi-rugi gesekan dan angin (Pf&w)
• Rugi-rugi inti(Pcore)
• Rugi-rugi tembaga(Pcopper)
• Rugi-rugi stray(Pstray)
Rugi-rugi generator tersebut dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu
rugi-rugi tetap dan rugi rugi berubah. Rugi-rugi generator yang tergolong rugirugi tetap adalah rugi-rugi inti dan rugi-rugi angin dan gesekan. Rugi-rugi inti dan
rugi-rugi gesekan dan angin bisa disebut juga no load rotational loss (PRL). Jika
generator sinkron tanpa beban diputar pada putaran nominalnya dan diberi eksitasi
sampai tegangan nominalnya, maka seluruh daya yang masuk ke generator
sinkron digunakan untuk mengatasi rugi-rugi angin dan gesekan dan rugi-rugi inti.
Rugi-rugi berubah terdiri dari tugi-rugi tembaga dan rugi-rugi stray. Kedua rugirugi ini berubah seiring dengan berubahnya beban. Rugi-rugi gesekan dan angin
timbul akibat gesekan bantalan dan sikat. Karena kecepatan putaran generator
sinkron tetap maka rugi-rugi ini bernilai tetap. Rugi-rugi inti terdiri dari rugi-rugi
hysterisis dan arus pusar. Untuk mengurangi rugi-rugi hysterisis, dipilih logam
inti yang memiliki luas area hysterisis loop yang kecil. Rugi-rugi arus pusar dapat
diperkecil dengan membentuk inti berupa lapisan tipis yang terisolasi satu sama
lainnya[8].
Rugi-rugi tembaga merupakan rugi-rugi akibat pemanasan pada kumparan
tembaga. Rugi-rugi yang tidak termasuk ke dalam ketiga tugi-rugi yang telah
dibahas dikelompokkan kedalam rugi-rugi stray. Gambar 2.26 menunjukkan
41
Universitas Sumatera Utara
diagram aliran daya pada generator sinkron. Apabila generator sinkron memasok
beban linier maka tidak ada harmonisa yang timbul. Arus yang mengalir pada
stator hanya memiliki komponen fundamental saja. Rugi-rugi tembaga generator
sinkron pada kondisi beban linier dituliskan pada persamaan (2.23).
Pcopper = 3I1 R1 ................................................(2.44)
2.4
Efisiensi Generator Sinkron
Secara teori bahwa semua daya mekanis yang dihasilkan oleh penggerak
mula (daya output penggerak mula juga sebagai daya input generator sinkron)
generator sinkron diubah menjadi daya elektrik (daya output generator).
Perbedaan antara daya output dengan daya input mesin sinkron dipresentasikan
sebagai rugi-rugi (losses) mesin. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.26. Daya
input mekanis pada poros generator (Pin) : Pin = τappωm. Dan daya yang
dikonversikan dari mekanikal menjadi elektrikal yang prosesnya terjadi dalam
mesin.
PCONV = τind.ωm
PCONV = 3EAIA cosγ
Dimana γ adalah sudut antara EA dengan IA. Perbedaan antara daya input ke
generator dan daya yang dikonversikan dalam generator dipresentasikan sebagai
rugi-rugi mekanis dan rugi-rugi inti pada mesin.
42
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.26 Diagram Aliran Daya Generator Sinkron
Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka
efisiensi generator sinkron dapat dituliskan sebagai berikut :

Pout
Pin
x 100 % ............................................................................(2.54)
dimana :
Pin = Pout +
P
rugi
Pout = daya keluaran
Pin = daya masukan
43
Universitas Sumatera Utara