Generator Sinkron

5.7 Generator Sinkron

Ket : N = Normal, T =Tinggi,

5.7.1 Pendahuluan

R = Rendah, LT= Lebih Tinggi Sebagian besar energi listrik yang diper- Motor induksi rotor sangkar adalah motor gunakan oleh konsumen untuk kebutuhan yang paling sederhana karena dibagian sehari-hari dihasilkan oleh generator rotornya tidak ada sikat. Motor induksi sinkron fasa banyak (polyphase) yang ada rotor sangkar (desain B) umumnya di Pusat-pusat pembangkit tenaga listrik. dipergunakan untuk menggerakan kipas, Generator sinkron yang dipergunakan ini pompa sentrifugal, dan sebagainya.

mempunyai rating daya dari ratusan sampai ribuan Mega-volt-Ampere (MVA).

Motor induksi dengan torsi asut tinggi (desain C) digunakan apabila diperlukan Disebut mesin sinkron, karena bekerja torsi pengasutan tinggi, seperti elevator pada kecepatan dan frekuensi konstan dan kerekan yang harus diasut dalam dibawah kondisi “Steady state“. Mesin keadaan berbeban. Motor jenis ini sinkron bisa dioperasikan baik sebagai umumnya mempunyai

rotor sangkar generator maupun motor. ganda. Mesin sinkron bila difungsikan sebagai Motor induksi desain D dirancang untuk motor berputar dalam kecepatan konstan, mempunyai torsi asut tinggi dengan arus apabila dikehendaki kecepatan yang asut rendah. Motor jenis ini mempunyai bersifat variabel, maka motor sinkron di- tahanan rotor tinggi yang dibuat dari lengkapi dengan dengan pengubah fre- kuningan, motor bekerja antara 85% s.d kuensi

“Inverter”atau “Cyclo- 95% dari kecepatan sinkronnya.

seperti

converter”.

Motor dengan desain D biasanya diper- 404

Sebagai generator, beberapa mesin sin- jangkar diam (stationer) dan struktur kron sering dioperasikan secara paralel, medan berputar. Kumparan DC pada seperti di pusat-pusat pembangkit. Ada- struktur medan yang berputar dihubungkan pun tujuan dari paralel adalah adanya pada sumber luar melaui slipring dan sikat, pembagian beban antara generator yang tetapi

juga yang tidak satu dengan lainnya.

ada

mempergunakan sikat yaitu sistem “brushless excitation”. Ada dua struktur medan magnet pada mesin sinkron yang merupakan dasar keja Konstruksi dari sebuah mesin sinkron dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang secara garis besar adalah sebagai berikut : mengalirkan penguatan DC dan sebuah jangkar tempat dibangkitkannya ggl AC.  Bentuk Penguatan Hampir semua mesin sinkron mempunyai jangkar diam (stationer) dan struktur Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk medan berputar. Kumparan DC pada membangkitkan flux magnetik diperlukan struktur medan yang berputar dihubungkan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa pada sumber luar melaui slipring dan sikat, diperoleh dari generator DC penguatan tetapi ada juga

sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron.

yang tidak mempergunakan sikat yaitu Pada mesin dengan kecepatan rendah, sistem “brushless excitation”.

tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric, maka generator

DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Ada dua struktur medan magnit pada Exciter” sebagai penguatan atau meng- mesin sinkron yang merupakan dasar kerja gunakan magnet permanen (penguat dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang aktif). mengalirkan penguatan DC dan sebuah jangkar tempat dibang-kitkannya ggl AC. Hampir semua mesin sinkron mempunyai

5.7.2 Konstruksi

Gambar 5.116 Generator Sinkron Tiga Fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot Exciter”

Gambar 5.117 Generator Sinkron Tiga Fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless Exciter System”

a. Belitan satu lapis (Single Layer Win- menggunakan dioda silicon dan thyristor.

Alternatif lainnya untuk penguatan adalah

ding).

Dua tipe sistem penguatan “Solid

b. Belitan berlapis ganda (Double Layer state”adalah :

Winding).

 Sistem statis yang mempunyai dioda atau thyristor statis, dan arus dialirkan ke  Belitan Stator Satu Lapis rotor melalui Slipring.

Gambar 5.120 yang memperlihatkan  “Brushless System”, pada sistem ini belitan satu lapis karena hanya ada satu

penyearah diletakkan diporos yang sisi lilitan didalam masing-masing alur. berputar dengan rotor, sehingga tidak Bila kumparan tiga fasa dimulai pada Sa, dibutuhkan sikat dan slipring.

Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu

 Bentuk Rotor hubungan bintang dan segitiga. Untuk medan rotor yang digunakan ter- Antar kumparan fasa dipisahkan sebesar

gantung pada kecepatan mesin, mesin 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, dengan kecepatan tinggi seperti turbo satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila generator mempunyai bentuk silinder, rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat sedangkan mesin dengan kecepatan

siklus ggl penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun

mekanis.

Satu

rendah seperti Hydroelectric atau Ge- hubungan antara sudut rotor mekanis nerator Listrik-Diesel mempunyai rotor mek dan sudut listrik lis, adalah : Kutub Tonjol.

P  lis   mek

 Stator

Stator dari mesin sinkron terbuat dari besi magnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti

magnetik yang

bagus

berarti

permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi.

Gambar 5.119 memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin

Sinkron Tiga Fasa, ada dua tipe yaitu : (a) Kutub Tonjol

(b) Silinder Gambar 5.119 Inti Stator dan Alur pada Stator Gambar 5.118 Bentuk Rotor

Gambar 5.120 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa

Sebuah generator sinkron mempunyai 12 sedangkan urutan fasa ABC disebut kutub. Berapa sudut mekanis ditunjukkan urutan fasa positif. dengan 180 derajat listrik.

Jadi ggl yang dibangkitkan sistem tiga fasa Jawab :

secara simetris adalah : Sudut mekanis antara kutub utara dan

E A  E A  0 0 Volt

kutub selatan adalah :

E  E mekanis 0 0 B B   120 Volt

C  E C   240 Volt

Ini menunjukkan 180 derajat listrik :

12 0 0  lis   mek  x 30  180

Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 5.119 (searah jarum jam), urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC, dengan demikian tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B, dan kemu-dian fasa C.

Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau urutan fasa negatif,

Gambar 5.121 Urutan Fasa ABC

 Belitan Berlapis Ganda

Gambar 5.122 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa

Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada Untuk mengatasi masalah ini, generator gambar 5.120 hanya mempunyai satu praktisnya mempunyai kumparan terdis- lilitan per kutub per fasa, akibatnya tribusi dalam beberapa alur per kutub per masing-masing kumparan hanya dua fasa. Gambar 5.122 memperlihatkan lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu bagian dari sebuah kumparan jangkar lebar, masing-masing penghantar yang yang secara umum banyak digunakan. berada dalam alur akan membangkitkan Pada masing-masing alur ada dua sisi tegangan yang sama. Masing-masing lilitan dan masing-masing lilitan memiliki tegangan

untuk lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan menghasilkan tegangan per penghantar yang tidak terletak ke dalam alur biasanya dan jumlah total dari penghantar per fasa.

fasa akan

sama

disebut “Winding Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding

Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak overhang. menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi  Faktor Distribusi kerapatan flux dalam inti dan juga

Seperti telah dijelaskan diatas bahwa melokalisir pengaruh panas dalam daerah sebuah kumparan terdiri dari sejumlah alur dan menimbulkan harmonik. lilitan yang ditempatkan dalam alur se-

cara terpisah. Sehingga, ggl pada terminal 408 cara terpisah. Sehingga, ggl pada terminal 408

5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat disebut faktor distri-busi Kd untuk 1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat. kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari Kisar pendek sering digunakan, karena satu.

mempunyai

beberapa keuntungan,

diantaranya :

Diasumsikan ada n alur per fasa per kutub, jarak antara alur dalam derajat listrik, adalah :

180 derajat listrik

nx

dimana m menyatakan jumlah fasa. Perhatikan gambar 5.123, disini diperli-

hatkan ggl yang dinduksikan dalam alur 2 akan tertinggal (lagging) dari ggl yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar  =15 derajat listrik, de mikian pula ggl yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal 2 derajat, dan seterusnya. Semua ggl ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor

E 1 , E 2 , E 3 , danE 4 . Total ggl stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.

Gambar 5.123 Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan

Total ggl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar dari ggl lilitan oleh faktor.

Jumlah Vektor E 1  E 2  E 3  E 4

Kd 

Jumlah Aljabar

4 xE lili tan

Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan :

Kd 

Sin ( 1 / 2 n  )

Gambar 5.124 Total Ggl Et dari Tiga Ggl Sinusoidal

nSin (  /2)

Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 5.124.

 Faktor Kisar Gambar 5.125, memperlihatkan bentuk

kisar dari sebuah kumparan, bila sisi lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar

Gambar 5.125 Kisar Kumparan 409

 Menghemat tembaga yang digunakan. Apabila Z = Jumlah penghantar atau  Memperbaiki bentuk gelombang dari sisi lilitan dalam seri/fasa = 2 T tegangan yang dibangkitkan.  Kerugian arus pusar dan Hysterisis

T = Jumlah lilitan per fasa dikurangi.

60 d = P dan dt =

detik

Faktor . Kisar  Jumlah Vektor ggl induksi lili tan

 Kp

Ggl induksi rata-rata per penghantar :

Jumlah Aljabar ggl induksi lili tan

Volt

60 masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar

EL Ggl yang dinduksikan pada masing-

dt 60 / N

penuh, maka total induksi = 2 EL Sedangkan f 

. atau N 

120 . f

(Gambar 5.126). sehingga Ggl induksi rata-rata per Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 penghantar menjadi :

derajat listrik, seperti diperlihatkan pada gambar 5.126 b, maka tegangan

 2 . f .  Volt resultannya adalah :

Er 

 . P 120 . f

60 P

bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : Ggl rata-rata/fasa

E = 2 EL. Cos 30/2

= 2.f..Z Volt

0  = 2.f..(2T) = 4.f..T volt   Cos 15

Ggl efektif/fasa = 1,11x 4.f..T

= 4,44 x f ..T Volt

Atau Kp  Cos  Cos

bila faktor distribusi dan faktor kisar

2 2 dimasukkan, maka Ggl efektif/fasa p 0

E = 4,44 . Kd. Kp .f . . T Volt

= Sin

2 dimana 0 p adalah kisar kumparan dalam

5.7.3 Prinsip Kerja

derajat listrik. Kecepatan rotor dan frekuensi dari

tegangan yang dibangkitkan berbanding secara langsung. Gambar 5.127 mem- perlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a’.

Lilitan seperti ini disebut “Lilitan Terpusat”, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa

Gambar 5.126 Vektor Tegangan Lilitan

 Gaya Gerak Listrik Kumparan yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan Terdistribusi”.

Pada Sub bab sebelumnya telah diba- has mengenai frekuensi dan besarnya Diasumsikan rotor berputar searah jarum tegangan masing-masing fasa secara jam, maka flux medan rotor bergerak umum. Untuk lebih mendekati nilai ggl sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor sebenarnya yang terjadi maka harus dalam satu detik menghasilkan satu siklus diperhatikan faktor distribusi dan faktor per ditik atau 1 Hertz (Hz). Bila kisar.

kecepatannya 60 Revolution per menit 410

(r/m), frekuensi 1 Hz, untuk frekuensi f =

60 Hz, maka rotor harus berputar 3600 r/m.

Untuk kecepatan rotor n r/m, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (r/s). bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan

dalam lilitan stator. Gambar 5.127 Diagram Generator AC Satu Fasa Dua

Kutub

Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, besarnya fluks total adalah, Φ T =Φ m . Sin

P n ω t +Φ m . Sin (ω t – 120˚) + Φ m . Sin (ω t –

f = Hertz

2 60 240˚). Cos (φ – 240˚)

Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing Dengan memakai transformasi trigono- terpisah sebesar 120 derajat listrik da-lam metri dari : Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) +

½ Sin (α + β), maka dari persamaan 8-5 ruang sekitar keliling celah udara seperti

diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – m . Sin (ω t + φ)+ ½.Φ m.

diperoleh : Φ T = ½.Φ

b’ dan c – c’ pada gambar 5.126. t – φ) + ½.Φ m . Sin (ω t + φ – 240˚)+

Sin (ω

½.Φ m . Sin (ω t – φ) + ½.Φ m . Sin (ω t +φ– Masing-masing lilitan akan menghasilkan

gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam

Dari persamaan diatas, bila diuraikan keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat maka suku kesatu, ketiga, dan kelima akan : silang menghilangkan. Dengan demikian

Φ A =Φ m . Sin ω dari persamaan akan didapat fluksi total

Φ B =Φ m . Sin (ω sebesar, Φ T = ¾ Φm. Sin (ω t - Φ) Weber. t – 120˚) Φ =Φ

C m . Sin (ω t – 240˚) putar dengan modulus 3/2 Φ dengan sudut

Jadi medan resultan merupakan medan

Besarnya fluks resultan adalah jumlah putar sebesar ω. vektor ketiga fluks tersebut Φ =Φ +Φ + Besarnya tegangan masing-masing fasa T A B

adalah :

Φ C , yang merupakan fungsi tempat (Φ)

E maks = Bm. l. ω r Volt dan waktu (t), maka

dimana : Bm = Kerapatan Flux maximum yang

dihasilkan kumparan medan rotor (Tesla)

= Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber)

= Kecep sudut dari rotor (rad/s)

= Radius dari jangkar (meter)

(a)

Gambar 5.128 Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub

(b)