Pengendalian Tegangan Terminal Generator Sinkron Terhadap Perubahan Arus Dan Faktor Daya Beban

PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON

TERHADAP PERUBAHAN ARUS DAN FAKTOR DAYA BEBAN

( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT-USU )

O L E H

NAMA : ELMAN FAERI LASE NIM : 070422007

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011

i

ABSTRAK

Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Dalam operasinya, Generator Sinkron dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini mempengaruhi tegangan terminal (tegangan keluaran) generator yang selalu dituntut agar tetap stabil. Untuk mengendalikan tegangan terminal agar tetap stabil maka diaturlah kuat arus eksitasinya. Akibat pengaturan arus eksitasi maka pada generator terjadi perubahan drop tegangan pada belitannya sehingga regulasi tegangan berubah.

Dalam Tugas Akhir ini, dibahas mengenai regulasi tegangan generator sinkron sebelum dan sesudah pengendalian tegangan untuk arus dan faktor daya beban yang berubah-ubah. Dalam hal ini penulis mengambil aplikasi pada Generator Sinkron Tiga Fasa pada Laboratorium Konversi Energi Iistrik FT.USU.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan yang maha kuasa atas rahmat dan karunia sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul : PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON TERHADAP PERUBAHAN ARUS DAN FAKTOR DAYA BEBAN

Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir.Sumantri Zulkarnain, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala

bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir. Masykur Sjani, selaku dosen Wali penulis, atas bimbingan dan

arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim. M.si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzy, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.

4. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan

di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.

5. Kepada kedua orangtua dan adik saya yang telah memberikan dukungan,

semangat, motivasi dan kasih sayang yang tak ternilai besarnya.

6. Kepada teman-teman anak Ekstensi elektro USU 2007, Ardi, Boy, Candra, dan

iii

7. Kepada teman-teman kost yang selalu memberi semangat dan motivasi kepada

penulis.

8. Kepada Pak Zul M. Tel, Pak T. Hulu, Sabjan Zamasi, Velix, Happy dan teman-teman lainya yang telah memberikan dorongan semangat kepada penulis.

9. Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah banyak membantu

penulis dalam proses pengambilan data.

10.Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya.

Medan, Penulis,

Elman Faeri Lase NIM. 070422007

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... i i DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penulisan ... 2

1.3 Mamfaat Penulisan ... 2

1.4 Batasan masalah ... 2

1.5 Metode Penulisan ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II GENERATOR SINKRON 2.1 Umum ... 5

2.2 Konstruksi Generator Sinkron ... 6

2.2.1 Stator... 7

2.2.2 Rotor ... 10

2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron ... 12

2.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron ... 14

2.5 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 16

2.6 Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron ... 19

2.7 Efek Perubahan Beban Pada Generator Yang Beroperasi Sediri ... 21

v

BAB III KAREKTERISTIK GENERATOR SINKRON DAN PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON

3.1. Parameter Generator Sinkron ... 25

3.1.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : E0 = E0 (If) ... 25

3.1.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat : Isc = Isc (If) ... ... 27

3.1.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban : V = V(If) ...30

3.1.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : VΦ = f (IL)... ...30

3.1.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL) ...33

3.1.6 Pengukuran Tahanan Jangkar ... 32

3.1.7 Menentukan Impedansi dan Reaktansi Sinkron ... 32

3.2 Pengendalian Tegangan Terminal Generator ... 37

3.4 Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Metode Impedansi Sinkron... 41

BAB IV PENENTUAN PARAMETER DAN ANALISA PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SIKRON 4.1 Umum ... 45

4.2 Peralatan Yang Digunakan ... 45

4.3 Percobaan Menentukan Parameter Generator Tiga Phasa ...48

4.3.1 Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ... 48

4.3.2 Percobaan Beban Nol ... 49

4.3.3 Percobaan Hubung Singkat ... 50

4.3.4 Percobaan Berbeban ... 51

4.4 Data Hasil Percobaan ... 54

4.4.1 Data Hasil Percobaan Tahanan Jangkar ... 54

4.4.2 Data Hasil Percobaan Beban Nol ... 55

4.4.3 Data Hasil Percobaan Hubung Singkat ... 56

4.4.4 Penentuan Parameter Generator Sinkron ... 57

4.4.5 Data Hasil Percobaan Berbeban ... 59

4.5. Perhitungan Regulasi Tegangan ... 60

4.5.1. Perhitungan Regulasi Tegangan Terminal Berdasarkan Data Hasil Percobaan ... 60

4.5.2. Perhitungan Regulasi Generator Berdasarkan Metode Impedansi Sinkron ... 61

4.6 Grafik Hasil Percobaan ... 63

BAB V KEIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...67

5.2 Saran ...67

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Tabel Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ... 54

Tabel 4.2 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan ... 55

Tabel 4.3 Data Arus Hubung Singkat Sebagai Fungsi Arus Medan ... 56

Tabel 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat ... 58

Tabel 4.5 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Resistif ... 59

Tabel 4.6 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Induktif ... 59

Tabel 4.7 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Kapasitif ... 59

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Tegangan Terminal Berdasarkan Data Percobaan ... 60

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Generator Sinkron ... 62

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1(a) Generator AC Satu Fasa Dua Kutub ... 5

Gambar 2.1(b) Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub ... 5

Gambar 2.2 Konstruksi Generator Sinkron ... 6

Gambar 2.3 Bentuk-bentuk Alur ... 8

Gambar 2.4 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa ... 8

Gambar 2.5 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa ... 9

Gambar 2.6 Rotor Kutub Menonjol... 11

Gambar 2.7 Rotor Rotor Kutub Slinder ... 12

Gambar 2.8 Model Reaksi Jangkar ... 15

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 17

Gambar 2.10 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 18

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa ... 18

Gambar 2.12(a) Rangkaian Ekivalen Tiga Fasa Generator Hubungan Y ... 19

Gambar 2.12(b) Rangkaian Ekivalen Tiga Fasa Generator Hubungan Δ ... 19

Gambar 2.13 Perubahan Fasor Untuk Berbagai Beban Yang Berubah... 22

Gambar 2.14 Kurva Arus Jangkar Vs Arus Medan Untuk Tiga Faktor Daya ... 23

Gambar 2.15 Segitiga Daya ... 24

Gambar 3.1 Rangkaian Test Tanpa Beban ... 26

Gambar 3.2 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC) ... 26

Gambar 3.3 Gambar Rangkaian Hubung Singkat ... 27

Gambar 3.4 Karakteristik Hubung Singkat ... 29

Gambar 3.5 (a) Diagram fasor hubung singkat ... 29

Gambar 3.5 (b) Diagram Fasor Medan Magnet saat Hubung Singkat ... 29

Gambar 3.6 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban ... 30

ix

Gambar 3.8 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif ... 33

Gambar 3.9 Karakteristik Pengaturan Generator ... 35

Gambar 3.10 Sistem Eksitasi Dengan Pilot Exciter ... 39

Gambar 3.11 Sistem Eksitasi Dengan Main AC Exciter Dan Stationary Silicon Controlled Rectifier ... 40

Gambar 3.12 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (brushless excitation system) ... 41

Gambar 3.13 Plot Diagram Metode Impedansi Sinkron ... 42

Gambar 3.14 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Terbelakang (Lagging) ... 39

Gambar 3.15 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Satu (Unity) ... 40

Gambar 3.16 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Mendahului (Leading) ... 40

Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ... 48

Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol ... 49

Gambar 4.3 Rangkaian Hubung Singkat ... 50

Gambar 4.4 (a) Rangkaian Percoban Berbeban ... 52

Gambar 4.4 (b) Rangkaian Beban Resitif ... 52

Gambar 4.4 (c) Rangkain Beban Kapasitif ... 52

Gambar 4.4 (d) Rangkain Beban Induktif ... 52

Gambar 4.5 Karakteristik Beban Nol ... 56

Gambar 4.6 Karakateristik Hubung Singkat ... 57

Gambar 4.7 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban resistif ... 63

Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Induktif ... 64

Gambar 4.9 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Kapasitif ... 64

Gambar 4.10 Grafik Hubungan If (mA) dengan Ia (A) pada pengendalian tegangan terminal generator sinkron ... 65

Gambar 4.11 Grafik hubungan %VR dengan Ia (A) ... 65

ABSTRAK

Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Dalam operasinya, Generator Sinkron dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini mempengaruhi tegangan terminal (tegangan keluaran) generator yang selalu dituntut agar tetap stabil. Untuk mengendalikan tegangan terminal agar tetap stabil maka diaturlah kuat arus eksitasinya. Akibat pengaturan arus eksitasi maka pada generator terjadi perubahan drop tegangan pada belitannya sehingga regulasi tegangan berubah.

Dalam Tugas Akhir ini, dibahas mengenai regulasi tegangan generator sinkron sebelum dan sesudah pengendalian tegangan untuk arus dan faktor daya beban yang berubah-ubah. Dalam hal ini penulis mengambil aplikasi pada Generator Sinkron Tiga Fasa pada Laboratorium Konversi Energi Iistrik FT.USU.

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

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.

Konstruksi umum dari suatu Generator sinkron terdiri dari penggerak mula, rotor atau bagian yang berputar, stator atau bagian yang diam, dan celah udara antara stator dan rotor. Konstruksi rotor sendiri terdiri atas Rotor Silinder dan Rotor Kutub Sepatu yang masing-masingnya memiliki fungsi yang berbeda. Disamping itu juga perlu rangkaian eksitasi sebagai penghasil tegangan induksi pada terminal jangkar. Untuk Generator sinkron yang besar, rangkaian jangkar diletakkan pada Stator untuk menghindari timbulnya bunga api jika rangkaian jangkar pada bagian rotor.Untuk Rangkaian Eksitasi dapat dibagi atas dua yaitu eksitasi dengan sikat dan tanpa sikat.

Alternator tiga fasa dituntut untuk bekerja stabil (tegangan dan frekuensi yang dihasilkan tetap stabil). Ketidakstabilan kedua hal tersebut sangat berpengaruh terhadap beban terutama beban-beban elektronik. Selain itu kestabilan kedua hal tersebut sangat penting jika sebuah alternator diparalelkan dengan alternator yang lain untuk melayani beban yang makin besar. Seiring makin besarnya jumlah beban yang harus dilayani oleh sebuah Alternator, ditambah dengan makin beragamnya beban yang

ada, tentu memerlukan pengaturan kerja dari sebuah Alternator. Fluktuasi yang terjadi pada beban antara lain impedansi beban. Dimana jumlah beban yang harus dilayani tidak sama untuk setiap saat, ini berpengaruh pada impedansi total beban. Impedansi beban mempengaruhi faktor daya dari beban, yang kemudian hal itu berpengaruh pada Arus Beban. Karena tegangan dituntut untuk tetap stabil, maka fluktuasi Arus Beban akan mengakibatkan ketidakstabilan tegangan. Untuk itulah perlu dilakukan perubahan pada Arus Eksitasi.

Dalam Tugas akhir ini penulis akan membandingkan hasil percobaan sebelum dan sesudah pengendalian generator sinkron. Pengendalian ini dilakukan dengan cara mengatur arus eksitasinya sehingga tegangan terminal generator dapat di jaga konstan walaupun arus dan faktor daya beban berubah-ubah. Untuk memperoleh data tugas akhir ini penulis akan melakukan percobaan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU. Dari data yang diperoleh dan perhitungan menggunakan rumus maka hubungan antara tegangan terminal (Vt), arus medan (If), arus beban (Ia), faktor daya dan regulasi tegangan dapat di tentukan. Untuk membantu dalam perhitungan penulis menggunakan bantuan komputer dalam melakukan pengolahan data.

1.2. TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui hubungan antara arus eksitasi, arus beban dan faktor daya beban terhadap tegangan terminal generator sinkron.

1.3. MANFAAT PENULISAN

Manfaat dari Tugas Akhir ini adalah untuk lebih memahami tentang generator sinkron serta efek perubahan arus dan faktor daya beban terhadap tegangan terminal generator sinkron.

3

1.4. BATASAN MASALAH

Untuk memfokuskan masalah yang ingin dibahas, perlu dibuat batasan masalah. Adapun batasan masalah dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Generator Sinkron yang penulis ambil sebagai aplikasi adalah Generator Sinkron

Tiga Fasa pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT.USU.

2. Beban yang digunakan adalah beban tiga fasa seimbang.

3. Keadaan yang dipakai adalah keadaan mantap.

1.5. METODE PENULISAN

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium

Konversi Energi Listrik FT USU

3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak jurusan Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.

1.6. SISTEMATIKA PENULISAN

Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika sebagai berikut : BAB I : Pendahuluan

Bab ini berisikan tentang gambaran umum mengenai tugas akhir yang memuat latar belakang penulisan judul, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.

BAB II : Generator Sinkron

Bab ini berisikan tentang teori umum Generator Sinkron mencakup konstruksi, prinsip kerja, pembangkitan tegangan, dan rangkaian ekivalen. BAB III : Parameter Dan Pengendalian Tegangan Terminal Generator Sinkron

Bab ini berisikan tentang teori penentuan parameter Generator Sinkron yaitu Tahanan (Ra), Reaktansi Sinkron (Xs), parameter beban nol, parameter hubung singkat dan parameter-parameter lain dari generator sinkron. Selain itu bab ini juga berisi tentang teori dalam pengendalian tegangan terminal generator sinkron dengan mengatur arus eksitasi generator tersebut.

BAB IV : Penentuan Parameter dan Analisa Pengendalian Tegangan Terminal Generator Sinkron Tiga Fasa (Percobaan pada Lab. Konversi Energi Listrik FT. USU)

Bab ini berisikan tentang jenis komponen dan spesifikasi peralatan percobaan, rangkaian percoban, prosedur percobaaan, data percobaan, analisis dan grafik hasil percobaan.

BAB VI : Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisikan kesimpulan yang didapat selama melakukan penelitian dan penyusunan Tugas Akhir.

5

BAB II

GENERATOR SINKRON 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

Gambar diagram kedua bentuk generator arus bolak – balik tersebut dapat dilihat dari Gambar 2.1 berikut.

(a) (b)

Gambar 2.1 (a) Generator AC satu fasa dua kutub (b) Generator AC tiga fasa dua kutub

Generator sinkron sering dijumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (dengan kapasitas yang relative besar). Misalnya pada PLTA, 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.

2.2. KONSTRUKSI GENERATOR SINKRON

Generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik bolak-balik secara elektromagnetik. Energi mekanik berasal dari penggerak mula yang memutar rotor, sedangkan energi listrik dihasilkan dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan-kumparan stator.

Pada gambar 2.2 dapat dilihat bentuk sederhana dari sebuah generator sinkron.

7 Secara umum generator sinkron terdiri atas stator, rotor, dan celah udara. Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam sedangkan rotor adalah bagian yang berputar. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor.

Pada bagian ini akan dibahas mengenai konstruksi generator sinkron secara garis besar. Bagian – bagian generator yang dibahas pada bagian ini antara lain :

(a) Stator (b)Rotor

2.2.1 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:

a. Rangka stator

Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar generator.

b. Inti Stator

Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic khusus terpasang ke rangka stator.

c. Alur (slot) dan Gigi

Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup seperti pada gambar 2.3 berikut :

terbuka setengah terbuka tertutup Gambar 2.3 Bentuk-bentuk alur

d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar)

Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi.

Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa, ada dua tipe yaitu:

a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).

Gambar 2.4 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi lilitan di dalam 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. Antar 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 menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis αmekdan sudut listrik αlis, adalah:

αlis = P

2αmek… ... (2.1)

9

b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).

Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada 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 stator, 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 2.5 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa

Gambar 2.5 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing masing alur ada dua sisi lilitan dan masing – masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak ke

dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak ada tegangan dalam

winding overhang.

2.2.2. 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.

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.

Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa silent pole (kutub menonjol) dan non silent pole (kutub silinder).

a. Jenis Kutub Menonjol (Silent Pole)

Pada jenis silent pole, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan medannya dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub berlawanan.

11 Gambaran bentuk kutub menonjol generator sinkron seperti pada gambar 2.6 berikut :

Gambar 2.6 Rotor kutub menonjol

Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putar 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:

 Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi angin yang besar dan bersuara bising

jika diputar dengan kecepatan tinggi.

 Konstruksi kutub menonjol tidak cukup kuat untuk menahan tekanan mekanis

apabila diputar dengan kecepatan tinggi.

b. Jenis Kutub Silindris (Non Silent Pole)

Pada jenis non salient pole, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Jenis rotor ini terbuat dari baja tempa halus yang berbentuk silinder yang mempunyai alur-alur terbuat di sisi luarnya. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh Eksiter. Gambaran bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.7 berikut :

Gambar 2.7 Rotor kutub silindris

Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putar tinggi (1500 atau 3000 rpm) seperti yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga uap. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan putar tinggi karena:

 Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik yang baik pada kecepatan putar

tinggi

 Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih

baik dari kutub menonjol.

2.3 PRINSIP 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

13

p f

n120. ... (2.2) dimana : 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 menghasilkan 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 :

= − ∅

dt t Sin d

N



maks







t Cos N



maks



 

bila : 2f

 

f Cos t N 2 maks 

  bila 120 np f  t Cos np

N  _maks 

       120 2 maks maks np N

E 

      120 . 14 , 3 . 2 2 120 . 14 , 3 . 2 ( 2 maks maks eff np N E E   

120 44 ,

4 Np

C 

120

44 ,

4 Npn_maks

 bila :

maka:

Eeff = Cnmaks ... (2.3)

Dimana :

Eeff = ggl induksi (Volt) n = Putaran (rpm)

N = Jumlah belitan f = Frekuensi (Hz)

C = Konstanta maks = Fluks magnetik (weber)

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.

2.4 REAKSI JANGKAR GENERATOR SINKRON

Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang mengalir melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian dikenal sebagai reaksi jangkar seperti pada gambar 2.8 berikut :

15 Gambar 2.8 Model reaksi jangkar

Keterangan gambar :

a) Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Jenis beban resistif dimana ΦA tegak lurus terhadap ΦF.

b) Arus jangkar (I) terdahulu Φ dari GGL (E). Jenis beban kapasitif dimana ΦA memperkuat ΦF, sehingga terjadi pengaruh pemagnetan.

c) Arus jangkar (I) terbelakang dari GGL (E). Jenis beban Induktif dimana ΦA

memperlemah ΦF, terjadi pengaruh pendemagnetan.

Pengaruh yang ditimbulkannya dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetizing) fluksi arus medan pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung kepada beban dan faktor daya beban, yaitu:

a. Untuk beban resistif (cosφ = 1)

Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanya sebatas mendistorsinya saja tanpa pengaruh kekuatannya (cross magnetizing)

b. Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)

Arus akan tertinggal 900 dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar

akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan demagnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan melemahkan fluksi arus medan.

c. Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)

Arus akan mendahului tegangan sebesar 900. Fluksi yang dihasilkan arus jangkar

akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar yang terjadi magnetizing artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus medan.

d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)

Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagaian magnetizing dan sebagaian demagnetizing. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian magnetizing. Sementara itu saat beban adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagaian distortif dan sebagaian demagnetizing. Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.

2.5 RANGKAIAN EKIVALEN GENERATOR SINKRON

Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitan-belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu Belitan-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

17 jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka rangkaian ekivalen suatu generator

sinkron dapat dibuat seperti gambar 2.9 berikut:

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen generator sinkron

Dengan melihat Gambar 2.9 maka dapat ditulis persamaan tegangan generator sinkron sebagai berikut :

Ea = Vt + jXaIa + jXIa + RaIa ... (2.4)

Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis

Vt = Ea – jXaIa – jXIa – RaIa ... (2.5)

Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = Xa + X dapat dilihat pada Gambar 2.8 maka

persamaan menjadi:

Vt = Ea – jXsIa – RaIa [Volt] ... (2.6)

Dimana :

Vf = Tegangan Eksitasi (Volt)

Rf = Tahanan Belitan Medan (Ohm)

Lf = Induktansi Belitan Medan (Henry)

Radj= Tahanan Varibel (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 2.10 Penyederhanaan rangkaian generator sinkron

Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik tiga fasa maka gambar yang menunjukkan hubungan tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.11 berikut:

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa

Sementara itu, rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa untuk tiap jenis hubungan ditunjukkan oleh Gambar 2.12 berikut ini:

19 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen belitan stator tiga fasa generator sinkron

(a). hubungan – Y dan (b). hubungan – Δ

2.6 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.

Untuk mesin – mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan regulasi tegangan dengan cara langsung seringkali tidak dapat 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 (armatur) Ra

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... (2.7)

2.) 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).

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.

21

2.7 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 13 , diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan terminal setelah beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan terminal pada saat awal.

Gambar 13a. Beban Induktif

Gambar 13b. Beban Resistif

Gambar 13c. Beban Kapasitif

Gambar 13. Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah

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., 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. Gambar 14 menunjukkan contoh hubungan antara Arus Jangkar Il dan Arus Medan If untuk tiga

jenis faktor daya, dalam hal ini generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kV dan daya 400 MVA. Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus diberikan berbeda-beda tergantung pada faktor daya beban.

23 Gambar 14. Kurva Arus Jangkar Vs Arus Medan untuk tiga faktor daya 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.

2.8 Faktor Daya

Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu:

 Daya semu (S), VA (Volt Ampere)

 Daya aktif (P), Watt

 Daya reaktif (Q), VAR (Volt Ampere Reaktif)

Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt, daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk melakukan tugas tertentu.

Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan

generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik/industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik.

Gambar 2.15 Segitiga daya

Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total (lihat Gambar 3.15). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu.

25

BAB III

KAREKTERISTIK GENERATOR SINKRON DAN METODE PENGATUR TEGANGAN

3.1 Karakteristik Generator Sinkron

Generator diputar oleh suatu tenaga penggerak untuk menghasilkan tenaga listrik. Pada prinsipnya putaran generator adalah tetap demikian halnya dengan putaran generator dalam pembuatan karakteristik-karakteristik harus selalu dipertahankan. Karakteristik-karakteristik itu adalah:

a.) Karakteristik tanpa beban. b.) Karakteristik hubung singkat. c.) Karakteristik berbeban. d.) Karakteristik luar. e.) Karakteristik pengaturan.

3.1.1 Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron : E0 = f(If)

Berdasarkan Gambar 3.1, karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki langkah-langkah sebagai berikut :

a.) Terminal generator dibuka.

b.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n).

c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap.

d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If).

Gambar 3.1 Rangkaian test tanpa beban

Dari Gambar 3.1 dapat diperoleh persamaan umum generator :

Ea = Vt + Ia (Ra + jXs) ... (3.1)

Pada hubungan generator terbuka (beban nol), Ia = 0, dan E0 adalah tegangan tanpa

beban, maka :

E0 = Ea = Vt = cn ... (3.2)

Dengan  yang dihasilkan hanya If, Sehingga :

E0 =

cnI

f ... (3.3)

Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi :

E0 =

k

1

.I

f ... (3.4)

dimana k1 = cn

Berikut diperlihatkan grafik hubungan E0 vs If yang disebut juga dengan

karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit Characteristic).

27 Dari Gambar 3.2 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.

3.1.2 Karakteristik Hubung Singkat Generator Sinkron : Isc = f(If)

Untuk menentukan karakteristik dan parameter hubung singkat generator sinkron terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain :

a.) Hubung singkat terminal.

b.) Generator diputar pada kecepatan nominal. c.) Atur arus medan (If) pada nol.

d.) Ukur arus armatur (Ia) pada setiap peningkatan arus medan (If).

Rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar 3.3 berikut.

Gambar 3.3 Gambar rangkaian hubung singkat

Dari Gambar 3.3, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah : Ea = Vt + Ia (Ra + jXs) ... (3.5)

Pada saat generator sinkron dihubung singkat, Vt = 0 dan Ia = Isc . Maka,

Ea = Isc (Ra + jXs) ... (3.6)

cn = Isc (Ra + jXs) ... (3.7)

cnIf = Isc (Ra + jXs) ... (3.8)

Karena cn dan (Ra + jXs) bernilai konstan, maka :

cn = k1 ... (3.9)

(Ra + jXs) = k2 ... (3.10)

Sehingga persamaan menjadi :

k1.If = Isc. k2 ... (3.11)

Isc = If

k k 2 1

... (3.12)

Isc = k If ... (3.13)

dimana k =

2 1 k k

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 3.4 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik hubung singkat pada generator sinkron, yaitu Isc vs If.

29 Gambar 3.4 Karakteristik Hubung Singkat

Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :

Ea = Ia (Ra + jXs) ... (3.14)

Ia = Isc =

s a

a

jX R

E

 ... (3.15)

Harga mutlaknya adalah :

Ia = Isc =

2 2

s a

a

X R

E

 ... (3.16)

Gambar 3.5 berikut menunjukkan diagram fasor dan medan magnet yang dihasilkan pada generator yang dihubung singkat.

(a) (b)

Gambar 3.5 (a) Diagram fasor hubung singkat

(b) Diagram Fasor 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 =

a a s a

I E X

R 2 2  ... (3.17)

3.1.3 Karakteristik Berbeban Generator Sinkron : Vt = f(If)

Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban antara lain sebagai berikut :

a.) Hubungkan beban ZL pada terminal generator.

b.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n).

c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap.

d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If).

Gambar 3.6 Rangkaian generator sinkron berbeban Dari Gambar 3.6 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :

Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)

Vt = Ea - Ia (Ra + jXs) ... (3.18)

Vt = cnIf - Ia (Ra + jXs) ... (3.19)

31 Vt = cnIf – IL (Ra + jXs) ... (3.20)

IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap dan nilai cn juga konstan, maka :

cn = k1 ... (3.21)

IL (Ra + jXs) = k2 ... (3.22)

maka :

Vt = k1If – k2 ... (3.23)

k2 = k1If – Vt ... (3.24)

1 1

2

k V I k

k _t

f 

 ... (3.25) Pada saat Vt = 0 maka :

f

I k k

 1

2 _{... (3.26)}

Gambar 3.7 Karakteristik generator sinkron berbeban

3.1.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : Vt = f (IL)

Karakteristik ini akan memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus beban (IL) terhadap tegangan terminal generator sinkron (Vt). 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 rangkaian generator sinkron berbeban yang telah diperlihatkan pada Gambar 3.6 diperoleh persamaan :

Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)

Sehingga persamaan tegangan terminal Vt generator sinkron dalam keadaan berbeban :

Vt = Ea - Ia (Ra + jXs) ... (3.27)

Dalam hal ini Ia = IL

maka :

Vt = Ea – IL (Ra + jXs) ... (3.28)

Vt = cn – ILZs ... (3.29)

Vt = cnIf – ILZs ... (3.30)

Karena c, n dan If konstan :

k1 = cnIf ... (3.31)

Nilai Zs konstan :

k2 = Zs ... (3.32)

Sehingga :

Vt = k1 – ILk2... (3.33)

Jika arus beban (IL) = 0 (beban nol), maka :

Vt = k1 ... (3.34)

33 IL =

2 1 k k

... (3.35)

Berikut ini merupakan karakteristik luar generator sinkron dengan beban induktif pada

berbagai harga cosφ.

Gambar 3.8 Karakteristik luar generator beban induktif

3.1.5 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 Vt dijaga konstan.

b.) putaran tetap.

c.) Faktor daya (cosφ) tetap.

d.) Arus beban ditambah secara bertahap.

Persamaan untuk generator berbeban (Gambar 3.6) : Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)

Pada generator berbeban :

IL = Ia

sehingga :

Ea = Vt + IL(Ra + jXs) ... (3.36)

cnIf = Vt + ILZs

cnIf = Vt + ILZs

If =

cn Z I cn

V _{L S}



 _{... (3.37)}

karena nilai c, n, Vt, dan Zs konstan, maka :

cn = k1

Vt = k2

Zs = k3

sehingga diperoleh :

If = IL

k k k k 1 3 1

2  _{... (3.38)}

jika, 4 1 2 _k k k  5 1 3 _k k k  maka,

If = k4 – k5IL ... (3.39)

35 Gambar 3.9 Karakteristik pengaturan generator

3.1.6 Pengukuran Tahanan Jangkar Arus Searah

Pengukuran tahanan jangkar arus searah (rdc) biasanya menggunakan metode

voltmeter-amperemeter. Dimana kumparan jangkar dihubungkan kepada sumber tegangan arus searah (dc) ketika mesin dalam keadaan diam lalu diukur besar arus yang mengalir pada kumparan jangkar. Pengukuran dengan menggunakan sumber tegangan dc dimaksudkan bahwa reaktansi kumparan jangkar akan menjadi nol selama proses pengukuran. Arus yang mengalir pada kumparan jangkar diatur pada nilai nominalnya supaya kumparan berada pada temperatur operasi normal. Jika kumparan jangkar terhubung bintang dan netral tidak tersedia maka besar tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat

dihitung dengan Persamaan 3.40. Sedangkan jika kumparan jangkar terhubung delta maka tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat dihitung dengan Persamaan 3.41 seperti

berikut :

=

... (3.40)

=

... (3.41)

dimana : Vdc = Tegangan arus searah pada kedua terminal jangkar (Volt) Idc = Arus searah yang mengalir pada kumparan jangkar (A) rdc = Tahanan jangkar arus searah (ohm)

Nilai tahanan jangkar arus searah (rdc) merupakan nilai pendekatan karena saat kumparan jangkar mengalirkan arus bolak-balik maka nilai tahanan jangkar akan meningkat karena adanya efek kulit (skin effect). Sehingga perlu diketahui nilai tahanan jangkar efektif yang dapat dihitung dengan Persamaan 3.42 berikut ini :

=

.

... (3.42) dengan k = 1,2 s/d 1,5

3.1.7 Menentukan Impedansi dan Reaktansi Sinkron

Jika tidak terjadi saturasi, impedansi sinkron Zs akan bernilai tetap. Secara aktual Zs bervariasi saat terjadi saturasi. Untuk menghitung voltage regulation, hanya satu nilai Zs yang digunakan di dalam perhitungan. Nilai impedansi sinkron Zs dan reaktansi sinkron Xs per fasa dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3.43 dan Persamaan 3.44 berikut ini :

=

... (3.43)

= − ... (3.44) dimana : Ebn = Tegangan induksi beban nol saat terjadi saturasi pada arus medan

tertentu (Volt)

Isc = Arus hubung singkat pada arus medan yang sama saat saturasi (A) Zs = Impedansi sinkron (ohm)

Xs = Reaktansi sinkron (ohm) ra = Tahanan jangkar (ohm)

37 Generator Sinkron merupakan mesin listrik yang banyak digunakan pada pembangkit saat ini. Di dalam mensuplai energi listrik ke konsumen, generator sinkron dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini mengakibatkan perubahan pada faktor daya dan arus beban yang mengalir. Perubahan dua hal tersebut tentu saja berpengaruh juga pada stabilitas tegangan keluaran Generator Sinkron. Karena tegangan keluaran dituntut untuk selalu stabil, sehingga untuk menjaga kestabilan tegangan keluaran, diaturlah kuat arus eksitasinya.

Eksitasi pada generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan medan yang terdapat pada rotor. Sesuai dengan prinsip electromagnet yaitu apabila suatu konduktor yang berupa kumparan yang dialiri listrik arus searah maka kumparan tersebut akan menjadi magnet sehingga akan menghasilkan fluks-fluks magnet. Apabila kumparan medan yang telah diberi arus eksitasi diputar dengan kecepatan tertentu, maka kumparan jangkar yang terdapat pada stator akan terinduksi oleh fluks-fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan sehingga akan dihasilkan tegangan listrik bolak-balik. Besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung kepada besarnya arus eksitasi dan putaran. Jika arus eksitasi dan putaran semakin besar maka akan semakin besar juga tegangan yang akan dihasilkan oleh sebuah generator.

Sistem eksitasi generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring dengan peningkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus medan yang diperlukan untuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari sumber daya arus searah tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang berputar, maka diperlukan perancangan khusus untuk membentuk rangkaian sumber daya arus searah terhadap kumparan medan.

Penggunaan slip ring dan sikat, biasanya digunakan pada generator yang berkapasitas kecil. Slip ring ini terbuat dari bahan metal yang biasanya telah terpasang

pada poros mesin tetapi terisolasi dari poros tersebut. Dimana kedua ujung belitan medan pada rotor dihubungkan ke slipring tersebut. Dengan menghubungkan terminal positif dan negative sumber arus searah ke slipring melalui sikat, maka belitan medan akan mendapatkan suplai energi listrik arus searah dari sumber luar. Penggunaan slipring dan sikat menimbulkan sedikit masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber tegangan arus searah ke belitan medan pada generator sinkron, karena penggunaan slipring dan sikat ini menambah biaya perawatan pada mesin. Selama pemakaian slipring dan sikat ini harus diperiksa secara teratur, bahkan dengan pemakaian slipring dan sikat ini dapat menyebabkan rugi-rugi daya yang cukup besar akibat adanya drop tegangan pada terminal sikat, terutama pada mesin yang arus medannya cukup besar. Oleh Karena itu untuk mengatasi masalah ini maka digunakanlah penguatan statis.

Untuk generator berkapasitas besar, penguat tanpa sikat digunakan untuk mensuplai arus searah ke belitan medan yang ada pada rotor mesin. Penguat tanpa sikat ini merupakan sebuah generator kecil dimana rangkaian medannya berada dalam stator, sedangkan jangkarnya berada di rotor. Daya keluaran tiga fasa dari generator penguat ini disearahkan oleh penyearah untuk mendapatkan sumber arus searah.

Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri dari :

39

1. Sistem eksitasi dengan pilot exciter

Sistem eksitasi dengan pilot exciter dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 3.10 Sistem eksitasi dengan pilot exciter

Pada Gambar 3.10, arus searah untuk kumparan medan generator diperoleh dari kumparan eksitasi utama. Pilot exciter yang digunakan dalam hal ini merupakan sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang mensuplai tegangan pada belitan medan dari exciter utama yang merupakan generator dc penguatan terpisah. Output dc yang dihasilkan dari exciter utama digunakan untuk mensuplai tegangan dc pada belitan medan utama pada generator menggunakan slip ring dan sikat. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan utama generator dan menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik. Dalam keadaan ini bila generator diputar oleh penggerak mula maka dibangkitkan tegangan bolak-balik pada kumparan utama yang terletak di stator generator sinkron. Fungsi regulator adalah untuk menjaga tegangan terminal generator tetap konstan pada nilai tertentu.

Pada generator sinkron yang dieksitasi dengan metode ini mempunyai 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 pada belitan medan generator sinkron.

2. Sistem eksitasi dengan main ac exciter dan stationary solid-state rectifier.

Sistem eksitasi ini terdiri dari ac eksiter utama (main ac exciter) dan penyearah statis (stationary solid-state rectifier). Exciter utama ac yang dikopel dengan poros dari generator sinkron, mempunyai belitan medan yang berputar dan belitan jangkar yang statis. Output jangkar dari exciter utama ac mempunyai frekuesi skitar 400 Hz. Output ini disearahkan oleh penyearah statis (stationary solid-state rectifier). Setelah disearahkan sumber dc digunakan untuk mensuplai belitan medan utama generator sinkron menggunakan slip ring dan sikat karbon. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan sehingga menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik pada generator sinkron.

Gambar 3.11 Sistem Eksitasi dengan Main AC Eksitasi dan Stationary Silicon Controlled Rectifier

41 Sistem eksitasi tanpa sikat dapat kita lihat pada Gambar 3.12 berikut :

Gambar 3.12. Sistem Eksitasi tanpa sikat

Exciter ac dari generator sinkron mempunyai kumparan medan statis dan kumparan jangkar 3 fasa yang berputar. Sumber daya 3 fasa dari exciter ac ini bersama dengan poros generotor dan diode penyearah (silicon diode rectifier) yang juga terletak pada poros generator sinkron berputar mengikuti poros generator. Output dari penyearah ini mensuplai belitan medan generator yang juga berada dalam poros generator tanpa melalui slip ring dan sikat. Dengan kata lain aliran daya pada kawat pada poros utama berasal dari exciter ac ke penyearah kemudian ke belitan medan utama generator sinkron. Dengan demikian, sistem eksitasi tidak lagi memerlukan slip ring dan sikat. Sistem eksitasi ini dikenal dengan sistem eksitasi tanpa sikat.

3.3. Regulasi Tegangan Generator dengan Metode Impedansi Sinkron (EMF)

Dalam metode ini, kita akan memperoleh nilai impedansi sinkron Zs

(kemudian reaktansi sinkron Xs) sebuah generator sinkron (alternator) dari karakteristik beban nol (OCC) dan hubung singkat (SCC). Oleh karena itu disebut metode impedansi sinkron.

Metode ini memiliki langkah – langkah sebagai berikut.

- Gambarkan karakteristik beban nol (OCC) dari data yang diberikan oleh test beban nol.

- Gambarkan karakteristik hubung singkat (SCC) dari data yang diberikan oleh test hubung singkat. Kedua kurva tersebut digambarkan pada dasar nilai arus medan yang sama.

Arus medan dilambangkan dengan (If). Tegangan beban nol (hubungan terbuka) yang berpotongan dengan arus medan If dilambangkan dengan (E0). Ketika terminal – terminal jangkar dihubung singkat, tegangan terminal (Vt) bernilai nol. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa seluruh tegangan E0 digunakan untuk menggerakkan (sirkulasi) arus hubung singkat yang disimbolkan dengan Ia melawan impedansi sinkron (Zs).

Maka, E0 = Ia Zs

Zs =

) (

) (

0

rated a

circuit open

I

E _

... (3.45)

Sebagai catatan, E0 dan Ia merupakan nilai fasa–fasa.

43

- Karena Ra dapat diukur dari cara yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, maka : Xs = ( Z − ) ... (3.46) - Dengan mengetahui nilai Ra dan Xs, diagram fasor dapat digambarkan untuk setiap

beban dan setiap faktor daya (PF). Gambar 3.15 menunjukkan diagram fasor untuk beban induktif (lagging).

Dalam menggambar diagram fasor, arus Ia diambil sebagai fasor referensi. Jatuh tegangan IaRa sefasa dengan Ia. Sedangkan jatuh tegangan IaXs mendahului Ia sebesar 90º. Jumlah dari fasor Vt, Ia, IaRa dan IaXs menghasilkan tegangan tanpa beban (E0).

E0 = ( V cosφ+ I R )2+ ( V sinφ + I X )2 ... (3.47)

Gambar 3.15 Diagram fasor dengan faktor daya tertinggal (lagging)

Gambar 3.16 Diagram fasor dengan faktor daya satu (unity)

E0 = ( V + I R )2+ ( I X )2 ... (3.48)

Gambar 3.17 Diagram fasor dengan faktor daya mendahului (leading)

E0 = ( V cosφ+ I R )2+ ( V sinφ - I X )2 ... (3.49) Sehingga regulasi tegangan :

%VR = 100%

) (

x V

V V

FL FL NL 

VNL= E0

VFL= Vt

maka,

%VR = ( 0 )x100% V

V E

t t

45

BAB IV

PENENTUAN PARAMETER DAN ANALISA PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON

4.1 Umum

Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh perubahan beban terhadap regulasi tegangan generator sinkron tiga fasa maka diperlukan beberapa percobaan yaitu:

1. Percobaan beban nol 2. Percobaan hubung singkat 3. Percobaan berbeban

Parameter generator sinkron yang diperlukan adalah Xs dan Zs yang

diperoleh dari percobaan beban nol dan hubung singkat, sedangkan tahanan jangkar Ra

diabaikan. Parameter ini diperlukan untuk mendapatkan tegangan beban nol untuk perhitungan regulasi tegangan.

4.2Peralatan yang digunakan

Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah peralatan yang ada di Laboratorium konversi energi listrik FT-USU.

a. Generator sinkron

 Tegangan : 220 V

 Hubungan belitan jangkar : Bintang (Y)

 Arus nominal jangkar : 4 Ampere

 Daya generator : 2,67 kW

 Putaran nominal : 1500 rpm

 Faktor daya : 0,8 tertinggal

 Kelas isolasi : B

b. Motor arus searah penguatan bebas

 Tegangan : 220 V

 Arus jangkar : 22,7 Ampere

 Daya : 5 kW

 Tegangan medan : 220 V

 Arus medan : 0,17 Ampere

 Kelas isolasi : F

c. 3 PTDC

 1 PTDC merek FEED BACK

- Power supply PS 189

- 0 – 135 VAC / 0 – 125 VDC

- Ampere

 2 PTDC merek TERCO

- Power pack MV 1300

- 220 Volt

- Ampere

d. Beban-beban

 Beban resistif (tahanan variabel dan tahanan geser)

- 5 Ampere

- 60 Ohm

 Beban kapasitif

- Merek UNICON

- 20 µ F

47

- 50 Hz

 Beban induktif

- Merek AEG tipe B 326

- 50 Hz

- 7 Ampere

- 208 Volt

- 2,5 KVA

e. Alat-alat ukur

 Cos  meter

- Merek YEW tipe 2039

- 125 Volt

- 5 Ampere

 Volt meter AC dan DC

- Merek TES tipe 2712 LCR Multimeter

- Batere 9 Volt

- Fuse 0,5 Ampere untuk 250 Volt dan 20 Ampere untuk 380 Volt

 Amper meter AC dan DC

- Merek TES tipe 2712 LCR Multimeter

- Batere 9 Volt

- Fuse 0,5 Ampere untuk 250 Volt dan 20 Ampere untuk 380 Volt

 Watt meter

- Merek YEW 2041

- 120 -240 Volt

- 5 Ampere

 Tacho meter

- Merek FEED BACK

- 5000 rpm

4.3Percobaan Menentukan Parameter Generator Tiga Fasa

Pada penentuan parameter generator sinkron dilakukan beberapa percobaan yaitu : percobaan pengukuran tahanan jangkar, percobaan beban nol, percobaan hubung singkat dan percobaan berbeban. Pada percobaan berbeban kita menggunakan beban resistif, induktif dan kapasitif.

4.3.1 Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar

Pengukuran tahanan jangkar dilakukan untuk mendapatkan nilai tahanan jangkar Ra. Nilai Ra tersebut digunakan untuk mendapatkan nilai reaktansi sinkron Xs

yang diperlukan pada metode impedansi sinkron untuk menentukan tegangan tanpa beban.

a. Rangkaian Percobaan

Rangkaian percobaan yang digunakan untuk melakukan percobaan pengukuran tahanan jangkar ditunjukkan pada Gambar 4.1 berikut.

49

b. Prosedur Percobaan

Langkah-langkah yang harus dilakukan untuk melakukan pengukuran tahanan jangkar adalah sebagai berikut :

1. Peralatan dirangkai seperti pada Gambar 4.1 di atas.

2. Rangkaian belitan stator dihubungkan dengan suplai tegangan DC

3. Tegangan DC suplai dinaikkan sampai pada nilai tertentu.

4. Ketika tegangan menunjukkan pada besaran 6,2 Volt, penunjukan alat ukur

voltmeter dan ampermeter dicatat 5. Jika telah selesai rangkaian dilepas.

4.3.2. Percobaan Beban Nol a. Rangkaian Percobaan

Rangkaikan percobaan beban nol yang digunakan seperti gambar 4.2 dibawah ini

Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol

b. Prosedur Percobaan

Langkah-langkah percobaan yang dilakukan pada percobaan beban nol adalah sebagai berikut :

1. Alat-alat dirangkai seperti Gambar 4.2, PTDC pada posisi minimum.

2. Tutup S2 dan atur arus penguat motor dengan mengatur PTDC2 hingga harga

nominal.

3. Tutup S1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1 hingga diperoleh

harga nominal.

4. Catat tegangan terminal saat arus penguat generator belum dinaikkan (If = 0).

5. Tutup S3 dan naikkan arus penguat generator secara bertahap dengan mengatur

PTDC3. Dimana, putaran dijaga konstan pada setiap kenaikkan arus penguat

generator, kemudian catat tegangan terminal.

6. Turunkan arus penguat generator (PTDC3 minimum) lalu buka S3. Minimumkan

PTDC1 dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2.

7. Percobaan selesai.

4.3.3 Percobaan Hubung Singkat a. Rangkaian Percobaan

Rangkaikan percobaan beban nol yang digunakan seperti gambar 4.3 dibawah ini.

51

b. Prosedur Percobaan

Langkah-langkah percobaan yang dilakukan pada percobaan hubung singkat adalah sebagai berikut :

1. Alat-alat dirangkai seperti Gambar 4.3, PTDC pada posisi minimum.

2. Tutup S2 dan atur arus medan motor dengan mengatur PTDC2 hingga harga

nominal.

3. Tutup S1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1 hingga diperoleh

harga nominal.

4. Tutup S3 dan naikkan arus penguat generator (If) secara bertahap dengan mengatur

PTDC3.

5. Catat arus hubung singkat generator generator (Ia) untuk setiap tahapan arus medan

generator (If) dengan putaran generator dijaga konstan.

6. Turunkan arus medan generator (If) hingga nol, lalu buka S3. Minimumkan PTDC1

dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2.

7. Percobaan selesai.

4.3.4 Percobaan Berbeban

Percobaan ini untuk melihat hubungan antara arus beban dan faktor daya tertentu dengan efisiensi dan arus beban dengan regulasi tegangan, dimana arus medan dan putaran rotor dijaga konstan.

a. Rangkaian Percobaan

Rangkaian percobaan dapat dilihat pada gambar 4.4 dibawah ini. Beban yang digunakan adalah beban resistif, induktif, kapasitif.

Gambar 4.4 (a) Rangkaian Percoban Berbeban (b) Rangkaian Beban Resitif,

(c) Rangkain Beban Kapasitif, (d) Rangkaian Beban Induktif

b. Prosedur Percobaan Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal

1. Rangkaian dirangkai seperti Gambar 4.4 di atas. Semua saklar dalam keadaan

terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Saklar S1, S2 ditutup dan PTDC 1 dan PTDC 2 diatur untuk memberikan

tegangan ke terminal jangkar dan arus medan motor sampai dicapai putaran nominal generator.

53 4. Beban resistif dipasang dengan menutup saklar S4. Beban dinaikkan secara bertahap sehingga arus jangkar generator naik mendekati nominal dengan

menjaga cosφ, If dan putaran konstan.

5. Catat nilai yang terbaca pada alat ukur V2, A4, If. V2 adalah besar tegangan terminal generator, A4 adalah arus beban dan If adalah arus eksitasi generator.

6. Setelah itu PTDC diturunkan hingga nol dan semua saklar dibuka.

7. Untuk percobaan dengan beban induktif, kapasitif dengan cara yang sama

seperti dengan beban resistif.

8. Percobaan selesai.

c. Prosedur Percobaan Dengan Pengendalian Tegangan Terminal

1. Rangkaian dirangkai seperti Gambar 4.4 di atas. Semua saklar dalam

keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Saklar S1, S2 ditutup dan PTDC 1 dan PTDC 2 diatur untuk memberikan tegangan ke terminal jangkar dan arus medan motor sampai dicapai putaran nominal generator.

3. Saklar S3 ditutup dan PTDC 3

4. Beban resistif dipasang dengan menutup saklar S4. Beban dinaikkan secara

bertahap sehingga arus jangkar generator naik mendekati nominal dengan

menjaga cosφ dan putaran konstan. Selain itu tegangan terminal generator dijaga nominal.

5. Catat nilai yang terbaca pada alat ukur V2, A4, If. V2 adalah besar tegangan

terminal generator, A4 adalah arus beban dan If adalah arus eksitasi generator.

6. Setelah itu PTDC diturunkan hingga nol dan semua saklar dibuka.

7. Untuk percobaan dengan beban induktif, kapasitif dengan cara yang sama seperti dengan beban resistif.

8. Percobaan selesai.

4.4 Data Hasil Percobaan

4.4.1. Data Hasil Pengukuran Tahanan Jangkar

Pada percobaan pengukuran tahanan jangkar kita mendapatkan data-data seperti yang ada pada tabel berikut:

Tabel 4.1 Data Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar

Vdc Idc

6,2 3,14

Analisis Data

Idc Vdc R_DC

2 1 

14 . 3

2 , 6 2 1 

 0,987

Dikarenakan tahanan jangkar akan beroperasi pada tegangan AC maka Rdc harus dikali faktor koreksi yang harganya 1,1 s/d 1,5.

Rac = 1,3 x 0.987 = 1.28 Ω

55

4.4.2. Data Hasil Percobaan Beban Nol

Data percobaan beban nol dapat di lihat pada Tabel 4.2 dibawah ini. Tabel 4.2 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan

Putaran : 1500 rpm

No. If (mA) Vt (volt)

1 0 12

2 20 34

3 40 58

4 60 89

5 80 114

6 100 138

7 120 162

8 140 177

9 160 195

10 180 209

11 200 220

12 220 231

13 240 236

14 260 242

15 280 250

16 300 253

17 320 257

18 340 264

Gambar 4.5. Karekteristik Beban Nol

4.4.3. Data Hasil Percobaan Hubung Singkat

Data percobaan hubung singkat dapat di lihat pada Tabel 4.3 dibawah ini.

Tabel 4.3 Arus Hubung Singkat Sebagai Fungsi Arus Medan

Putaran : 1500 rpm

No Arus Medan If (mA) Arus Hubung Singkat Isc (A)

1 0 0,68

2 10 1,12

3 20 1.44

4 30 1,68

5 40 1,95

.6 50 2,22

7 60 2,55

8 70 2,78

9 80 3,06

0 50 100 150 200 250 300

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

Kurva Beban Nol

V

t

(A

)

57

10 90 3,32

11 100 3,58

12 110 3,75

13 120 4,06

Kurva Karakteristik Hubung Singkat

Gambar 4.6. Karekteristik Hubung Singkat

4.4.4 Penentuan Parameter Generator Sinkron

Dari Tabel 4.3 dan Tabel 4.2 di atas, kita ambil salah satu nilai arus penguatan (If), yaitu 120 mA karena pada nilai arus penguat (If) = 120 mA nilai arus

jangkar Ia = 4,06 A

Dimana, ketika If = 120 mA

Vt = 162 volt → dari karakteristik beban nol (OCC)

Ia = 4,06 A → dari karakteristik hubung singkat (SCC)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Isc Vs If

Is

c

(

A

)

If (mA)

Maka,

Untuk Vt = 165 volt sehingga =

√ = 93,53 ( )

dan Ia = 4,06 A

Maka, dapat diperoleh = open-cir cui t

Ia( r at ed)

= ,

, = 23,04 Ω

= ( Z − )

= ( 23,04) −( 1,28) = 23,00 Ω

Dengan cara yang sama maka akan diperoleh Xs untuk nilai If yang lain seperti pada tabel berikut ini:

Tabel 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat

No.

OCC SCC _Xs

(Ω)

If (mA) Vt (V) If (mA) Ihs (A)

1. 0 12 0 0,68 10.11

2. 20 34 20 1,44 13.57

3. 40 58 40 1,95 17.12

4. 60 89 60 2,55 20.11

5. 80 114 80 3,06 21.47

6. 100 138 100 3,75 21.21

7 120 162 120 4,06 23.00

Sebagai acuan Xs yang digunkana adalah Xs rata-rata untuk setiap percobaan, maka:

= 10,11 + 13,57 + 17.12 + 20.11 + 21,47 + 21,21 + 23,00 7

59

.4.5. Data Hasil Percobaan Berbeban

Tabel 4.5 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Resistif

No.

Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal

Dengan Pengendalian Tegangan Terminal Generator Ia (A) If (mA) Vt (Volt) Ia (A) If (mA) Vt (Volt)

1 0,5 200 219 0,5 210 220

2 1 200 217 1 218 220

3 1,5 200 214 1,5 225 220

4 2,0 200 212 2,0 236 220

Tabel 4.6 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Induktif

No.

Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal

Dengan Pengendalian Tegangan Terminal Generator Ia (A) If (mA) Vt (Volt) Ia (A) If (mA) Vt (Volt)

1 0,5 200 216 0,5 222 220

2 1 200 212 1 231 220

3 1,5 200 205 1,5 240 220

4 2 200 197 2 255 220

Tabel 4.7 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Kapasitif

No.

Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal

Dengan Pengendalian Tegangan Terminal Generator Ia (A) If (mA) Vt (Volt) Ia (A) If (mA) Vt (Volt)

1 0,5 200 223 0,5 195 220

2 1 200 228 1 189 220

3 1,5 200 232 1,5 185 220

4 2 200 236 2 177 220

4.5Perhitungan Regulasi Tegangan

4.5.1 Perhitungan Regulasi Tegangan Terminal Berdasarkan Data Percobaan

Berdasarkan data percobaan berbeban, tegangan VNL = 220 volt karena

sebelum di bebani tegangan terminal sama dengan tegangan nominal 220 volt. Dengan demikian maka regulasi tegangan terminal generator dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan 3.39 berikut :

% = − 100%

Dengan memasukkan data dari hasil percobaan, maka diperoleh, maka:

% = 220−219

220 100%

% = 0,46%

Perhitungan regulasi tegangan untuk tegangan terminal (Vt) yang lain dapat dilakukan seperti perhitungan di atas. Hasil perhitungan untuk kondisi Vt yang lain dapat kita lihat pada Tabel 4.8 berikut :

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Tegangan Terminal berdasarkan data percobaan

Ia (A)

Beban Resistif Beban Induktif Beban Kapasitif

Vt (Volt) %VR (%) Vt (Volt) %VR (%) Vt (Volt) %VR (%)

0,5 _{219 0,46 216}

1,85 223 -1,35

1 _{217 1,38 212}

3,77 227 -3,51

1,5 _{214 2,80 205}

7,32 232 -5,17

2 _{212 3,77 197}

11,68 236 -6,78

Sedangkan untuk nilai regulasi tegangan terminal setelah pengendalian tegangan adalah bernilai nol (%VR = 0)

61

4.5.2 Perhitungan Regulasi Generator Berdasarkan Metode Impedansi Sinkron

Regulasi tegangan generator sinkron dapat kita peroleh dengan menghitung nilai impedansi dari generator berdasarkan percobaan beban nol dan hubung singkat. Setelah memperoleh nilai Ra dan Xs maka nilai Eo dapat dihitung sehingga regulasi tegangan diperoleh. Berdasarkan hasil percobaan dan perhitungan maka regulasi tegangan dapat di hitung seperti contoh berikut ini :

 Beban Resistif, cos φ = 1

= ( + )2_{+ ( )}2

Untuk Ia=0,5 A ; Ra=1,28Ω ; Xs=18,08 Ω; Vt= 219 volt

= ( 219 + 0,5.1,28)2_{+ ( 0,5.18,08)}2

= 219,83 volt

Maka :

% = 219,83−219

219 100%

% = 0,38%

 Beban Induktif, cos φ = 0,8 lagging

= ( + )2_{+ ( + )}2

Untuk Ia=0,5 A ; Ra=1,28Ω ; Xs=18,08 Ω; Vt= 216 volt

= ( 216 0,8 + 0,5.1,28)2_{+ ( 216x0,6+ 0,5.16,5)}2

= 222,04 volt

Maka :

% = 222,04−214

214 100%

% = 2,80%

 Beban Kapasitif, cos φ = 0,8 leading

= ( + )2_{+ ( - )}2 Untuk Ia=0,5 A ; Ra=1,28Ω ; Xs=18,08 Ω; Vt= 223 volt

= ( 223 0,8 + 0,5.1,28)2_{+ ( 223x0,6- 0,5.16,5)}2

= 218,22 volt

Maka :

% = 218,22−223

223 100%

% = −2,14%

Hasil perhitungan %VR generator sinkron dapat di lihat pada tabel berikut: Tabel 4.9. Hasil Perhitungan %VR Generator Sinkron

No. Ia

(A)

Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal

VR (%)

Dengan Pengendalian Tegangan Terminal

VR (%)

Beban Resistif Beban Kapasitif Beban Induktif Beban Resistif Beban Kapasitif Beban Induktif

1. 0,5 0,38 2,80 -2.14 0.38 2,75 -2,17

2. 1 0,93 5,80 -4,08 0.92 5,58 -4,21

3. 1,5 1,69 9,15 -5,84 1.62 8,50 -6,12

4. 2 2,63 12,91 -7,42 2.49 11,49 -7,88

4.6 Grafik

4.6.1. Grafik Vt= f (Ia)

Berdasarkan tabel 4.5, 4.6, 4.7, maka dapat kita menampilkan grafik hubungan antara tegangan terminal generator tanpa dan dengan pengendalian tegangan terminal untuk masing-masing beban sebagai berikut :

63 Gambar 4.7 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan

tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban resistif

Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Induktif

200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 222

0.5 1 1.5 2

Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal Dengan

Pengendalian Tegangan Term inal

Ia (Am pere)

V t (V o lt ) 190 192 194 196 198 200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 222

0.5 1 1.5 2

Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal

Dengan Pengendalian Tegangan Term inal

Ia (Am pere)

V t (V o lt )

Gambar 4.7 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban resistif

Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Induktif

200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 222

0.5 1 1.5 2

Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal Dengan

Pengendalian Tegangan Term inal

Ia (Am pere)

V t (V o lt ) 190 192 194 196 198 200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 222

0.5 1 1.5 2

Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal

Dengan Pengendalian Tegangan Term inal

Ia (Am pere)

V t (V o lt )

64 Gambar 4.9 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan

tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban kapasitif

4.6.2 Grafik If = f (Ia)

Gambar 4.10 Grafik hubungan antara If (mA) dengan Ia (A) pada pengendalian tegangan terminal generator sinkron

216 218 220 222 224 226 228 230 232 234 236 238

0.5 1 1.5 2

Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal Dengan Pengendalian Tegangan Term inal

Ia (Am pere)

V

t

(V

o

lt

)

0 50 100 150 200 250 300

0.5 1 1.5 2

Beban Indukt if Beban Resist if Beban Kapasit if

If

(m

A

)

Ia(Ampere)

4.6.3 Grafik %VR = f (Ia)

Hubungan antara Regulasi tegangan (%VR) dengan arus beban (Ia) dapat dilihat pada grafik berikut :

Gambar 4.11 Grafik Regulasi Tegangan Terminal Berdasarkan Data Percobaan

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

0.5 1 1.5 2

Beban Resist if (Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal)

Beban Indukt if (Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal)

Beban Kapasit if (Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal)

Beban

Kapasit if,Indukt if,Resistif (Dengan Pengendalian Tegangan Term inal)

%VR

66 Gambar 4.12 Grafik Regulasi Tegangan Generator berdasarkan metode impedansi

Sinkron

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0.5 1 1.5 2

Beban Resist if (Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal)

Beban Indukt if (Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal)

Beban Kapasit if (Tanpa Pengendalian Tegangan Term inal)

Beban Resist if (Dengan Pengendalian Tegangan Term inal)

Beban Indukt if (Dengan Pengendalian Tegangan Term inal)

Beban Kapasit if (Dengan Pengendalian Tegangan Term inal)

%VR

Ia (A)

BAB V

KEIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Untuk mengendalikan tegangan terminal (sesuai dengan tegangan nominal) maka pada beban resistif dan induktif dilakukan dengan menaikkan arus eksitasinya sedangkan pada beban kapasitif dilakukan sebaliknya.

2. Pengendalian tegangan pada beban resistif dan induktif menyebabkan perbaikan regulasi sedangkan pada beban induktif sebaliknya.

3. Perubahan faktor daya beban mempengaruhi perubahan regulasi tegangan karena setiap perubahan beban menyebabkan perubahan tegangan terminal generator.

4. Untuk arus beban yang sama, regulasi tegangan generator pada beban induktif lebih besar dari beban resistif dan kapasitif (VR (induktif)> VR (resistif)>. VR (kapasitif)). 5. Pada beban Resistif dan Induktif mengakibatkan penurunan tegangan terminal

sedangkan pada beban kapasitif mengakibatkan kenaikan tegangan terminal generator.

Saran

1. Untuk pengembangan penelitian disarankan percobaan ke depan dilakukan dengan pengendalian tegangan terminal generator secara otomatis menggunakan alat sehingga kinerja peralatan dan sistem dapat diteliti.

DAFTAR PUSTAKA

1. Bimbra, P.S,”Generalized Circuit Theory of Electrical Machines”, Khanna Publisher, India, 1975

2. Chapman, Stephen J, ”Electric Machinery Fundamentals”, 3rd Edition, Mc Graw – Hill Book Company, Singapore, 1999.

3. Theraja, B.L. & Theraja, A.K., “A Text Book of Electrical Technology”, 2rd Edition, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001.

4. Rijono, Yon, Drs., Dasar Teknik Tenaga Listrik, Penerbit Andi, Yogyakarta, 2004

5. Sumanto, MA. DRS., ” Mesin Sinkron”, Edisi Kedua, Penerbit Andi, Yogyakarta, 1996.

6. Wijaya, Mochtar, ”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Penerbit Djambatan, Jakarta, 2001.

7. Zuhal,”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Penerbit PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993.