Konversi Energi Elektromekanik g

advertisement
Konversi Energi
g Elektromekanik
Bagian I
M.KHAIRULAMRIROSA
Elektromagnetik dan Konversi Energi
Elektromekanik
l k
k k
Konversi energi elektromekanik pada motor
Konversi energi elektromekanik pada generator
Hukum Gaya
Lorentz
Arah gaya terhadap bidang V
dan Bberdasarkan hukum
Lorentz.
1Teslaadalah kerapatan
magnetketika 1Coulomb
muatan qbergerak
q bergerak dengan
kecepatan 1m/smengalami
gaya sebesar 1N.
• Muatan q yangbergerak dengan
kecepatan V dalam medan magnetB
menimbulkan
b lk gaya sebesar:
b
F = qV u B
• B adalah rapat fluks magnetdengan
magnet dengan
satuan Teslaatau Wb/m2
• Elemen arus I dI dalam medan magnetB
akan mengalami gaya dF
d
dF = (I u B) dI
F = I dI u B
• Rapat medan magnetpada kawat lurus
dialiri arus I pada titik P dinyatakan dengan:
• R adalah jjarak P dari kawat dan P0
permeabilitas ruang hampa,
P0 =4S u 107
Permeabilitas dan
Intensitas Medan
Magnet
Bahan feromagnetik (besi
dan sejenisnya)dibagi
sejenisnya) dibagi dalam
dua kelas:
• Feromagnetik lunak
M
Memungkinkan
ki k rapatt
medan magnetbertambah
secara linierdengan arus
dalam suatu daerah.
daerah
• Feromagnetik keras
Materialyangsulit
memenuhi pengertian
permeabilitas.Material
seperti ini cocok dijadikan
magnet permanen
magnetpermanen.
• Permeabilitas adalah kemampuan
suatu materialuntuk mendukung
pembentukan medan magnetdi dalam
materialtersebut.
ate a o
ag et sepe
seperti
t
• Materialnonmagnetik
dielektrik,permeabilitas sama dengan
permeabilitas ruang hampa (P0).
• Materialmagnetik
Material magnetik seperti fero
magnetik memungkinkan arus
menghasilkan medan magnetjauh
lebih besar daripada di ruang hampa.
hampa
• Intensitas atau kuat medan magnet(H)
dinyatakan dalam hubungan:
B=PH
P=B/H
P adalah permeabilitas material
• Secara umum permeabilitas P tidak
konstan,tetapi bergantung pada H.
Kurva
Magnetisasi
• Karakteristik B-H material
feromagnetik lunak disebut kurva
magnetisasi.
• Aproksimasi linierterhadap kurva
magnetisasi dapat diterima pada
wilayah operasi normaluntuk peralatan
konversi energi elektromekanik praktik.
praktik
Kurva BHmaterialnonmagnetik
• Permeabilitas materialadalah rasio B
p H dan merupakan
p
fungsi
g H.
terhadap
• Rapat medan pada bahan feromagnetik:
B = P0 Pr H
• Nilai Pr adalah 2.000– 80.000untuk
bahan magnetik yangdigunakan pada
alat konversi energi elektromekanik.
Kurva BHmaterialmagnetik biasa
Tegangan Induksi
O
)
N
L
i
= Lingkup fluks (Wb)
= Fluks
Fl k (Wb)
= Jumlah lilitan
= Induktansi (Henry)
= Kuat arus (A)
=Reluktansi (At/Wb)
P0 = Permeabilitas
e eab tas ruang
ua g
hampa (4S u 107)
Pr = Permeabilitas relatif
A = Luas penampang
material(m2)
l = Panjang lintasan
magnetik (m)
e = gaya gerak listrik (V)
• Lingkup fluks (fluxlinkage)pada
p
dengan
g N lilitan
kumparan
O=N)=Li
• L adalah induktansi yangdipenuhi:
• Gayagerak listrik (ggl)merupakan
tegangan yangdibangkitkan oleh gaya
g
g
yyang
g
magnetik.Medanmagnetik
berubah waktu menginduksikan
tegangan pada konduktor.
• Ggl
G l atau
t tegangan
t
i d k i berdasarkan
induksi
b d
k
Hukum Faraday:
Pembangkit Tenaga Listrik
• Sejumlah
j
pusat p
p
pembangkit
g listrik yyangberoperasi
g
p
secara
sinkronisasi merupakan tulang punggung dari sistem tenaga
listrik.
• Pada
P d setiap
ti pusatt pembangkit
b kit terdapat
t d t beberapa
b b
generator
t
sinkron yangbekerja paralel.
pusat p
pembangkit
g listrik menggunakan
gg
mesin sinkron
• Semua p
dengan kapasitas hingga lebih dari 1000MVA.
• Seperti perangkat elektromekanik lainnya,mesin sinkron
b k j berdasarkan
bekerja
b d
k hukum
h k
F d i d k i elektromagnetik.
Faradayinduksi
l k
ik
• Istilah sinkron atau serempak mengacu pada mesin yang
beroperasi pada kecepatan dan frekuensi konstan pada
keadaan steadystate.
Mesin Sinkron
Mesin sinkron adalah mesin ACyangpada kondisi ajeg (steady
state)berputar sebanding dengan frekuensi arus pada jangkar.
Medanmagnetyangdihasilkan arus jangkar berputar pada
kecepatan sama dengan yangdihasilkan oleh arus pada rotor.
p
pada kecepatan
p
p
sinkron,sehingga
,
gg
Kedua medan ini berputar
dinamakan mesin sinkron atau mesin serempak.
Mesin sinkron umumnya digunakan sebagai generatorkhususnya
pada
d sistem
i
tenaga yangbesar
b
sepertii generatorhidroelektrik.
hid l k ik
Alternatoratau generatorsinkron adalah peralatan
elektromekanik yangmengonversi
yang mengonversi energi mekanik menjadi
energi listrik.
Rotordari
Rotor
dari generatorturbin
generatorturbin uap,3600rpm
uap,3600rpm
Statordari generator26KV,908MVA,
Stator
Statordari
generator 26 KV, 908 MVA,
3600rpm,turbin
3600rpm,
turbin uap berpendingin air.
Rotorberpendingin air
Rotorberpendingin
airpada
pada
generatorhidroelektrik
generator
hidroelektrik 190MVA
Statordari generatorhidroelektrik
Statordari
generatorhidroelektrik 190MVA,
12kV,375rpm
Konstruksi
M i Sinkron
Mesin
Si k
Pada mesin sinkron terdapat dua
kumparan, yaitu kumparan jangkar
dan kumparan medan. Kumparan
jangkar terletak di stator yang
berfungsi untuk membangkitkan
t
tegangan
d arus bolakbalik.
dan
b l k b lik
Kumparan medan terletak di rotor.
Kumparan
medan
disuplay
tegangan searah.
searah Sistem suplay
daya searah kepada rotor disebut
dengan eksitasi dan perangkatnya
disebut eksiter.
Sistem eksitasi mesin generator
sinkron ada yang menggunakan
sikat dan cincin untuk menyalurkan
daya dari luar.
luar Ada juga sistem
eksitasi tanpa sikat menggunakan
mekanisme khusus.
• Pada mesin sinkron kumparan medan
terletak pada rotordan kumparan
jangkar terletak pada stator.
• Kumparan jangkar adalah kumparan
dimana
d
a a tega
tegangan
ga ACdiinduksikan.
C d du s a
• Kumparan medan adalah kumparan yang
menghasilkan medan magnetutama.
• Konstruksi
K t k i jangkar
j k mesin
i sinkron
i k
h
hampir
i
sama dengan jangkar mesin AClainnya.
Jenis Mesin Sinkron
Mesin sinkron dibedakan berdasarkan
jenis rotornya
• Kutub tonjol (salient)
Digunakan untuk generatordengan
kecepatan rendah seperti dengan
turbin air.Rotorkutub tonjol biasanya
memiliki kutub banyak,4kutub atau
lebih
• Kutub silinder (nonsalient)
Generatorkecepatan tinggi
menggunakan rotorsilinder.Kelebihan
rotor silinder Kelebihan
rotorsilinder adalah rugirugi angin
lebih rendah.Biasanya terdiri
atas 2atau
2 atau 4kutub
4 kutub
Kutub salient
Kutub silinder
Eksitasi
• Kumparan
p
medan dieksitasi dengan
g arus searah melalui sikat
karbon kepada cincin slip.Sumber DCini disebut eksiter.
• Exciterpada generatorbesar dipasang pada poros generator
b
berupa
generatorACkecil
t AC k il dengan
d
penyearah
h solidstate.
lid t t
Sistem eksitasi semacam itu disebut eksiter brushless.
g eksiter brushlessadalah bebas p
perawatan terkait
• Keuntungan
pemeliharaan pada sikat.
• Arus pada kumparan medan dikontrol melalui rheostat.Arus
medan
d perlu
l dinaikkan
di ikk ketika
k ik tegangan terminalgenerator
i l
turun akibat kenaikan beban.
Pembangkitan Tegangan
• Kumparan jangkar terdiri atas banyak
lilitan.
• Rotordiputar pada kecepatan konstan oleh
penggerak mula yangterkopel pada poros.
• Gelombang
G l b
fl k menyapu sisi
fluks
i i lilitan
lilit adan
d
–a.Tegangan yangterinduksi pada lilitan
merupakan fungsi waktu sinusoidal.
• Frekuensi tegangan yangterinduksi
pada mesin 2kutub sama dengan
kecapatan rotordalam
rotor dalam putaran per
per
detik.
• Generatorsinkron 2kutub harus
berputar dengan kecepatan 3000rpm
untuk menghasilkan tegangan 50Hz.
Frekuensi dan
kecepatan sinkron
• Generator4kutub seperti gambar,
g g yyangdibangkitkan
g
g
melalui 2siklus
tegangan
lengkap perputaran rotor.Dengan
demikian frekuensinya 2kaliputaran rotor
dalam putaran perdetik.
per detik
• Generatordengan Pkutub,frekuensi
yangdibangkitkan dinyatakan dengan:
f
P § nsync
¨
2 ¨© 60
·
¸
¸
¹
nsync
120
f n =putaran rotor
P dalam rpm
• Kecepatan sinkron adalah kecepatan yang
berhubungan dengan frekuensi.
Kutub
`
RPM
RPM
50Hz
RPM
RPM
60Hz
Kutub RPM
RPM50
50 RPM60
RPM 60
Hz
Hz
2
3000
3600
10
600
720
4
1500
1800
12
500
600
6
1000
1200
16
375
450
8
750
900
20
300
360
Rangkaian Ekivalen
Tegangan reaksi jangkar
E ar
jxI I a
P
Persamaan
tegangan eksiter
ki
Er
E f jxI I a
xI adalah
d l h reaktansi
kt i efek
f k reaksi
k i jangkar
j k yang
disebut reaktansi magnetisasi
Impedansi sinkron diperoleh dengan
menggabungkan
b
k ra,x1 dan
d xI
Zs
ra j x1 xI
Dimana Xs = x1 + xI disebut
diseb t reaktansi
sinkron,sehingga Z s ra jX s
Hubungan tegangan dinyatakan dengan
Ef
Vt I a Z s
Diagramfasor
Magnitud arus beban penuh
Example
Sebuah generator3fasa,
1250 kVA 4160 V (fasafasa)
1250kVA,4160V(fasafasa),
10kutub,60Hz,Hubungan Y,
tahanan jangkar 0,126ohm
perfasa
per
fasa dan reaktansi
sinkron 3ohmperfasa.
Hitunglah tegangan perfasa
yangdibangkitkan generator
pada beban penuh dengan
faktor daya 0,8lagging
Ia
1250 u 10 3
3 u 4160
173,48 A
Tegangan fasa terminal
Vt
4160
3
2401,77‘0q V
Impedansi sinkron
Zs
ra jX s
0,126 j 3 3,0026‘87,59q ohm per fasa
Tegangan perfasa yangdibangkitkan
pada faktor daya 0,8lagging
Ef
2401,77 173,48‘ 36,87q3,0026‘87,59q
2761,137‘8,397q V
A.
Example
Sebuah alternator3fasa,10
MVA, 13,8 kV, 60 Hz, hubungan
MVA,13,8kV,60Hz,hubungan
Y,tahanan jangkar 0,07ohm
perfasa dan reaktansi bocor
1,9ohmperfasa.Ggl reaksi
j k Ear = -j19,91
jangkar
19 91Ia
Ggl yangdibangkitkan Ef = 60 If
a. Hitung arus medan yangdi
g
butuhkan untuk membang
kitkan tegangan ratingpada
arus jangkar ratingdengan
faktor daya 0,8lagging.
b Hitung arus medan untuk
b.
membangkitkan tegangan
nominalpada 100%arus
ratingdengan faktor daya
0,85lagging.
B.
Download