BAB I - Universitas Sumatera Utara

BAB II
GENERATOR SINKRON
2.1 Umum
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan generator
sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam
sebuah pusat pembankit listrik. Generator sinkron (sering disebut alternator)
merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik
berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC).
Generator AC (alternating current), atau generator sinkron. 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 sendiri karena
kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu
sakelar terhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator
sinkron tiga phasa atau generator sinkron satu phasa.
2.2 Konstruksi 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.
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi sederhana dari sebuah generator sinkron
secara umum :
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.
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).
Universitas Sumatera Utara
1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)
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
Universitas Sumatera Utara
pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan
untuk putaran rendah dan sedang karena :
•
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
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
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.
Universitas Sumatera Utara
2.3 Rangkaian Belitan Stator dan Rotor
2.3.1 Belitan stator
Ada dua jenis belitan stator yang banyak digunakan untuk
generator sinkron 3 phasa, yaitu:
a. Belitan Satu Lapis (Single Layar Winding)
Dari Gambar 2.7 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya
ada satu sisi lapisan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga
phasa dimulai pada Sa, Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa
disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antara
kumparan phasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat
mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub
berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh akan menunjukkan
360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis αmek, dan
sudut listrik αlis, adalah : α lis =
P
α mek
2
Gambar 2.7 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron 3 Phasa
Universitas Sumatera Utara
b. Belitan Berlapis Ganda (Double Layar Winding)
Kumparan jangkar hanya mempunyai satu lilitan per kutub per
phasa, akibatnya masing-masing kumparan hanya dua lilitan secara seri.
Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada
dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama , masing-masing
tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar
dan jumlah total dari penghantar per phasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang
efektif dalam penggunaan inti setator, karena variasi kerapatan fluks dalam
inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan
menimbulkan harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator
praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi dalam beberapa alur per
kutub per phasa.
Gambar 2.8 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron 3 Phasa
Gambar 2.8 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jagkar
yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing alur ada dua
sisi lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak
Universitas Sumatera Utara
terletak ke dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak
ada tegangan dalam winding overhang.
2.3.2 Belitan rotor
Belitan rotor pada generator sinkron biasanya terbuat dari kawat
yang halus dan diisolasi untuk tegangan yang rendah pada rotor silinder,
belitan rotor ditempatkan pada alur rotor dan kedua ujungnya dihubungkan
dengan sumber tegangan atau arus searah untuk memberikan eksitasi pada
rotor.
2.4 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
Universitas Sumatera Utara
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
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 apa yang dikenal sebagai
generator sinkron static exciter (penguat statis). Gambar 2.9 adalah sistem eksitasi
yang menggunakan generator arus searah.
Generator
Sinkron
Generator
Arus Searah
Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus Searah
Universitas Sumatera Utara
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.
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. Gambar 2.10 berikut adalah sistem
eksitasi statis.
Universitas Sumatera Utara
System Tiga Phasa
Transformator
eksitasi
PT
AVR
Konverter
CT
Gambar 2.10 Sistem Esitasi Statis
Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem
eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena
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
Universitas Sumatera Utara
rotor generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai
dengan putaran rotor, seperti pada Gambar 2.11 berikut:
Gambar 2.11 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai
Dari Gambar 2.11 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).
Universitas Sumatera Utara
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 2.12 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat dengan suplai
tiga phasa.
Gambar 2.12 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa
Pada Gambar 2.12, 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.
Universitas Sumatera Utara
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 2.13 dapat
dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen
Magnet Generator.
Gambar 2.13 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.13, 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.
2.5 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.
n=
dimana :
120. f
...............................................(2.1)
p
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 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
Universitas Sumatera Utara
induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan
persamaan :
e=− N
=− N
dϕ
dt
dϕ maks Sinωt
dt
= − Nωϕ maks Cosωt
dimana :
ω = 2πf
= − N (2πf )ϕ maks Cosωt
dimana :
f =
np
120
np 

= − N  2π
ϕ maks Cosωt
 120 
np 

E maks = N  2.3,14.
ϕ maks
120 

E eff =
=
dimana :
emaks
2
=
N (2.3,14.
4,44 Npnϕ
120
(
np
ϕ maks
120
2
,
4,44 Np
= C)
120
= Cnϕ ……………………………..(2.2)
dimana :
E = ggl induksi (Volt)
N = Jumlah belitan
C = Konstanta
P = Jumlah kutub
n = Putaran (rpm)
f = Frequensi )Hz)
ϕ = Fluks magnetik (weber)
Universitas Sumatera Utara
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 1200 satu sama
lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk
menghasilkan energi listrik.
2.6 Reaksi jangkar
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 2.14.
EAmax
EAmax
IAmax
BR
BR
ωm
ω
(a)
(b)
EAmax
EAmax Vф
IAmax
IAmax
BR
BR
Bnet
BS
BS
E stat
(c)
E stat
(d)
Gambar 2.14 Model Reaksi Jangkar
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.14.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 2.14.b. Arus stator tadi akan
meghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan stator Estat, seperti pada
Gambar 2.14.c. Vektor penjumlahan antara Bs dan BR menghasilkan Bnet, dan
penjumlahan Estat dan EA akan menghasilkan Vφ 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
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)
Universitas Sumatera Utara
EA = GGL pada jangkar (Volt)
Xs = Impedansi Sinkron (Ohm)
= Arus Jangkar (Amper)
Ia
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:
If
Ia
j XS
Rf
Vf
Ra
EA
Vt
Lf
Gambar 2.15 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Perfasa Tanpa Beban
2.7 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 2.16.
Radj
X ar
Ra
Ia
Rf
Vf
X la
V
Ea
Lf
Gambar 2.16 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Universitas Sumatera Utara
Dengan melihat Gambar 2.16 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 2.16
maka persamaan menjadi:
V = EA – jXsIa – RaIa (Volt)………………………….(2.9)
Rf
jXS
Ra
Ia
Rf
Vf
Ea
Vt
Lf
Gambar 2.17 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 2.18
Universitas Sumatera Utara
jXS
Ra
Ia1
Vt1
Ea1
If
jXS
Ra
Ia2
Rf
Vf
Vt2
Ea2
Lf
jXS
Ra
Ia3
Vt3
Ea3
Gambar 2.18 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa
2.8
Karakteristik dan Penentuan Parameter-parameter Generator
Sinkron Tiga Phasa
2.8.1 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)
Universitas Sumatera Utara
Radj
Ra
XS
Rf
Vf
VΦ
E0
Lf
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
Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan VΦ vs If yang disebut juga
dengan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit
Characteristic).
Universitas Sumatera Utara
Air gap line
V Φ (V)
OCC
O
If (A)
Gambar 2.20 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)
Dari Gambar 2.20 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva 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.
2.8.2 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
Universitas Sumatera Utara
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.
R adj
Ia
Ra
Xs
Rf
Vf
VΦ =0
Ea
Lf
Gambar 2.21 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)
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Ia(A)
SCC
o
If (A)
Gambar 2.22 Karakteristik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
(Ia) = Isc =
Ea
…………………….(2.22)
Ra + jX s
Harga Mutlaknya adalah :
Ia = Isc =
dimana :
Ea
Ra + jX s
2
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)
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.23 berikut menunjukkan diagram phasor dan medan magnet yang
dihasilkan pada generator yang dihubung singkat.
Ea
VΦ = 0
Ia
BR
jXsIa
Bstat
Bnet
Ia R a
(i) Diagram Phasor
(ii) Medan Magnet
Gambar 2.23 Diagram Phasor dan Medan Magnet saat Hubung Singkat
Karena Bstat hampir meniadakan BR, medan magnet Bnet sangat kecil. Oleh
karena itu, mesin tidak saturasi dan SCC berbentuk linear.
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 =
Ra + jX s =
2
2
Ea
…………………(2.24)
Ia
Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : Zs ≈ Xs ≈
Ea
Ia
2.8.3 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
Universitas Sumatera Utara
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If)
Radj
Ra
Xs
Ia
Rf
Vf
VΦ
Ea
Lf
L
O
A
D
Gambar 2.24 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
Dari Gambar 2.24 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)…………..(2.27)
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.28)
Pada generator berbeban, Ia = IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap.
Ia(A)
CosΦ = 0 leading
CosΦ = 0,8 lagging
CosΦ = 0 lagging
0
k2/k2
If (A)
k2
Gambar 2.25 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban
2.8.4 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
Universitas Sumatera Utara
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)………….(2.29)
Sehingga Persamaan tegangan terminal VΦ generator sinkron dalam keadaan
berbeban :
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.30)
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang mengalir
pada beban atau:
Ia = IL
maka :
VΦ = Ea – IL (Ra + jXs) …………. (2.31)
VΦ = cnΦ – ILZs ……………..….. (2.32)
VΦ = cnIf – ILZs ……………….... (2.33)
Karena c, n dan If konstan :
VΦ = k1 – ILZS …………………... (2.34)
Nilai Zs tetap, sehingga :
VΦ = k1 – ILk2 …………………. ..(2.35)
Universitas Sumatera Utara
Jika arus beban (IL) = 0 (beban nol), maka :
VΦ = k1
Jika tegangan terminal (VΦ) = 0 (hubung singkat), maka :
If =
VΦ I l Z s
If =………………. (2.36)
+
cn
cn
Berikut ini merupakan gambar karakteristik luar generator sinkron dengan beban
induktif pada berbagai harga cosφ.
VΦ (V)
PF = 1
PF = 0,8
PF = 0,6
0
IL (A)
Gambar 2.26 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif
2.8.5 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 )……………..(2.37)
Universitas Sumatera Utara
Pada generator berbeban :
IL = Ia
sehingga :
Ea = VΦ + IL(Ra + jXS ) …………. (2.38)
cnΦ = VΦ + ILZS
cnIf = VΦ + ILZS
If =
Vφ
cn
−
ILZS
………………..…. (2.39)
cn
karena nilai c, n, VΦ, dan Zs konstan, maka :
cn = k1
VΦ = k2
Zs = k3
sehingga diperoleh :
If =
k 2 k3
− I L ………………..…. (2.40)
k1 k1
jika,
k2
= k4
k1
k3
= k5
k1
maka,
If = k4 – k5IL……………….……. (2.41)
Gambar 2.27 berikut menunjukkan karakteristik pengaturan generator sinkron
untuk faktor daya cosφ induktif (lagging), kapasitif (leading) dan unity.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.27 Karakteristik Pengaturan Generator
Universitas Sumatera Utara