Analisa Penentuan Tegangan Terminal Generator Sinkron 3 Fasa Dan Perbaikan Faktor Daya Beban Menggunakan Metode Pottier

(1)

ANALISA PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL

GENERATOR SINKRON 3 FASA DAN PERBAIKAN FAKTOR

DAYA BEBAN MENGGUNAKAN METODE POTTIER

(APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT-USU)

Oleh :

NAMA : FAHDI RUAMTA SEBAYANG N I M : 080402080

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada

Departemen Teknik Elektro

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

ANALISA PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL

GENERATOR SINKRON 3 FASA DAN PERBAIKAN FAKTOR

DAYA BEBAN MENGGUNAKAN METODE POTTIER

(APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT-USU)

Oleh :

NAMA : FAHDI RUAMTA SEBAYANG N I M : 080402080

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Seminar pada tanggal Januari tahun 2013 didepan penguji : 1. Ir.Eddy Warman : Ketua Penguji

2. Ir. Syamsul Amien, M.si : Anggota Penguji 3. Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si : Anggota Penguji

Diketahui oleh : Disetujui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si

NIP. 1954 0531 198601 1 002 NIP. 1949 1212 19820 3 1 003 Ir. A. RACHMAN HASIBUAN

(3)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun Tugas Akhir ini dibuat untuk memenuhi syarat kesarjanaan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu: Ayahanda Drs. Djakaria Sebayang M.si dan Ibunda Ruslina Sembiring Serta Abang, Kakak dan Adik tercinta yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang. Dan juga kepada keluarga besar di medan.

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. A. Rachman Hasibuan, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, yang telah banyak meluangkan waktu dan ilmu yang beliau miliki demi penyelesaian tugas akhir ini.

2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.

3. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.Si, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.

(4)

4. Bapak Isroy, ST, selaku Pegawai di Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.

5. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.

6. Sahabat penulis, Hardianti Sari Meliala yang telah memotivasi dan menginspirasi bagi penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

7. Teman-teman Asisten, bg.Taufiq, bg.Martua, bg.Iqbal, bg.Faisal, bg.Feri, bg.Ardiansyah,Prajhiwazari, Fahmi Syawali, Syarif, Dhuha, Djaka, Diki, Bambang di Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.

8. Teman-teman angkatan ’08,Bapa Basten, Harmoko, Rumi, Latif(pay), Habibi, Dedi, Razi(uda’), Pryandi, daniel, Raja, Siska, Dian, Maria, Dina, Elis, Christian, Eikel, Fredrick, Basofi, Parulian Sandy, Antonius, Robin, Jonson, Luis, Rivky, Ikbal, Ari, Ihsan, Uki, Pindo, Aulia, Andri Sitorus. dan lain-lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

9. Teman-teman PEMA(Pemerintahan Mahasiswa) dan teman-teman di jurusan lainnya, Robi, Putra(mamen), Tria, Andri, Syumarlin, Adit, Mora, Abdi Mora, Tia, Vita, Azmi, Taufik, Galih, Ikbal, Abdul, Liyana, meirina dll. Dan lain-lain yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

10.Kepada abangda stambuk 2006 dan 2007, dan adik-adik junior stambuk 2009-2012. yang telah bnyak membantu saya dalam pengerjaan tugas akhir ini.

(5)

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 untuk pengembangan selanjutnya

Medan, 2 Februari Penulis

NIM: 080402080

(6)

ABSTRAK

Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik bolak balik (AC), Energi mekanis diberikan oleh penggerak mulanya. Sedangkan energi listrik bolak balik (AC) akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Dengan ditemukannya Generator Sinkron, telah memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan energi yang terkandung dalam batu bara, gas, minyak, air uranium kedalam bentuk yang bermanfaat yaitu listrik dalam rumah tangga dan industri.

Dalam kondisi berbeban generator sinkron akan bervariasi tergantung pada faktor daya beban. Perubahan beban dapat terjadi sewaktu-waktu pada system. Akibat perubahan beban yang dilayani oleh generator sinkron akan mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator tersebut. Sehingga menyebabkan perubahan tegangan terminal dan efisiensi. Dalam Tugas Akhir ini akan dibahas analisa penentuan tegangan terminal generator sinkron 3 fasa dan perbaikan faktor daya beban induktif menggunakan metode pottier.

Kata kunci: generator sinkron, penentuan tegangan terminal,faktor daya beban, metode pottier.

(7)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... ( i )

ABSTRAK ... ( iii )

DAFTAR ISI ... ( iv )

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan dan mamfaat Penulisan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Metode Penulisan ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA 2.1Umum...5

2.2Konstruksi Generator Sinkro ...6

2.2.1 Rotor...7

2.2.2 Stator...10

2.3Rangkaian belitan stator dan rotor...12

2.3.1 belitan stator...12

2.3.2 belitan rotor...14

(8)

2.5 Prinsip kerja Generator sinkron...17

2.6 Reaksi jangkar...20

2.7 Sistem eksitasi...22

2.7.1 Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah)...22

2.7.2 Sistem Eksitasi Statis...23

2.7.3 Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai...25

2.7.4 Sisten Eksitasi Menggunakan Pemanen Magnet Generator...27

2.8 Karakteristik Generator Sinkron...29

2.8.1 Karakteristik Beban Nol (E0 = E0 (If))...29

2.8.2. Karakteristik Hubung Singkat (Isc = Isc (If 2.8.3. Karakteristik Berbeban (V = V (I ))...31

f 2.9 Penentuan Parameter Generator Sinkron Tiga Phasa...35

))...34

BAB III PENGARUH FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON 3 FASA 3.1 Umum...36

3.2 Pengukuran parameter Generator Sinkron...37

3.3 Pengaruh Faktor Daya Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron Tiga Phasa...39

(9)

3.5 Regulasi Tegangan Generator Sinkron...51

3.6 Metode Potier (Zero Power Factor)...54

BAB IV ANALISA PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL PADA GENERATOR SINKRON 3 FASA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA BEBAN INDUKTIF MENGGUNAKAN METODE POTTIER 4.1 Umum...58

4.2 Peralatan Yang Digunakan...58

4.3 Percobaan Perkiraan Parameter Generator Tiga Phasa...60

4.3.1. Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar...60

4.3.1.1 Rangkaian Percobaan...60

4.3.1.2 Prosedur Percobaan...60

4.3.1.3 Data Percobaan...60

4.3.1.4 Analisa Data...61

4.3.2. Percobaan Beban Nol...61

4.3.2.1 Rangkaian Percobaan...61

4.3.2.2 Prosedur Percobaan...62

4.3.2.3 Data Percobaan...62

4.3.2.4 Kurva Karakteristik Beban Nol...63

4.3.3 Percobaan Hubung Singkat...63

(10)

4.3.3.2 Prosedur Percobaan...64

4.3.3.3 Data Percobaan...65

4.3.3.4 Kurva Karakteristik Hubung Singkat...65

4.3.4 Penentuan Parameter Generator Sinkron...66

4.3.5 Percobaan perbaikan faktor daya...67

4.3.5.1 Rangkaian Percobaan...67

4.3.5.2 Prosedur Percobaan...67

4.3.5.3 Data Percobaan...68

4.3.5.4 Penentuan Nilai Kapasitor Perbaikan Faktor Daya...69

4.3.5.6 Tabel Analisa Data...78

4.3.5.7 Kurva Percobaan...78

4.3.6 Regulasi Tegangan dengan Metode Segitiga Potier...79

BAB V KESIMPULAN...83

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pembagian mesin AC...6

Gambar 2.2 Konstruksi generator sinkron secara umum...7

Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron...8

Gambar 2.4 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron...9

Gambar 2.5 Inti Stator dan Alur Pada Stator...11

Gambar 2.6 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa...13

Gambar 2.7 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa...14

Gambar 2.8(a) Rotor Kutub Menonjol...15

Gambar 2.8(b) Rotor Silinder...15

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron...16

Gambar 2.10 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron...16

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa...17

Gambar 2.12 Model Reaksi Jangkar...20

Gambar 2.13 Sistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus Searah...23

Gambar 2.14 Sistem Kksitasi Statis...24

Gambar 2.15 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai...26

Gambar 2.16 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phas...27

Gambar 2.17 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator...28

(12)

Gambar 2.18 Rangkaian Test Tanpa Beban...29

Gambar 2.19 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)...31

Gambar 2.20 Gambar Rangkaian Hubung Singkat...32

Gambar 2.21 Karakteristik Hubung singkat...33

Gambar 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban...34

Gambar 2.23 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban...35

Gambar 3.1 Kurva Karakteristik beban nol...37

Gambar 3.2 Kurva Karakteristik Hubung Singkat...39

Gambar 3.3 Diagram karakteristik metode impedansi sinkron...40

Gambar 3.4 Vektor tegangan generator sinkron...41

Gambar 3.5 Perbaikan faktor daya...43

Gambar 3.6 Diagram Aliran Daya Generator Sinkron...45

Gambar 3.7 Segitiga Daya...48

Gambar 3.8 Beban Resistif...48

Gambar 3.9 Beban Induktif...49

Gambar 3.10 Beban Kapasitif...49

Gambar 3.11 Perbaikan Faktor Daya...50

Gambar 3.12 Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Tegangan Terminal...52

Gambar 3.13 Diagram Lengkap Metode Segitiga Potier...56

Gambar 3.14 Diagram Vektor Potier...57

Gambar 4.1 Rangkaian PercobaanPengukuran Tahanan Jangkar...60

Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol...61

(13)

Gambar 4.4 Rangkaian Hubung Singkat...64

Gambar 4.5 Karekteristik Hubung Singkat...65

Gambar 4.6 Rangkaian Percoban Berbeban...67

Gambar 4.7 Kurva Perbaikan Regulasi Tegangan...78

Gambar 4.8 Kurva Perbaikan Efisiensi...79

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar...60

Tabel 4.2 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan...62

Tabel 4.3 Arus Hubung Singkat Sebagai Fungsi Arus Medan...65

Tabel 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat...66

Tabel 4.5 Data Percobaan Sebelum Perbaikan Faktor Daya...68

Tabel 4.6 Data Percobaan Setelah Perbaikan Faktor Daya...69

Tabel 4.6 Tabel Hasil Analisa Data...78

(15)

ABSTRAK

Kata kunci: generator sinkron, penentuan tegangan terminal,faktor daya beban, metode pottier.

(16)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik. Energi mekanis di berikan oleh penggerak mulanya. Sedangkan energi listrik akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Dengan ditemukan nya Generator Sinkron atau Altenator, 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 adalah pengerak mula, Rotor atau bagian yang berputar, stator bagian yang diam. Dan celah udara antara Stator dan Rotor. Konstruksi Rotor sediri terdiri atas Rotor Silinder dan Rotor kutub sepatu yang masing-masing memiliki fungsi berbeda. Disamping itu juga perlu rangkaian eksitasi sebagai penghasil tegangan induksi pada terminal jangkar. Untuk Generator Sinkron yang besar, Rangkaian jangkar diletakkan pada bagian Rotor. Untuk Rangkaian Eksitasi dapat dibagi atas eksitasi dengan sikat dan tanpa sikat.

Generator tiga fasa dituntut untuk bekerja stabil dalam tegangan yang dihasilkan dan frekuensi. Ketidakstabilan kedua hal tersebut sangat berpengaruh terhadap beban terutama beban-beban elektronik. Salah satu penyebab altenator bekerja tidak stabil adalah tegangan terminal dan faktor daya dari beban yang dipikul yang mana hal itu mempengaruhi arus pada beban. Untuk itu perlu dilakukan pengujian

(17)

baik berupa analisa penentuan tegangan terminal generator sinkron 3 fasa dan perbaikan faktor daya beban induktif menggunakan metode pottier.

1.2. Tujuan Tugas Akhir

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui besar tegangan dengan cara menentukan besar tegangan masukan terminal generator sinkron 3 fasa dengan dengan beban induktif. Dan perbaikan factor daya beban terhadap beban induktif dengan menggunakan metode pottier.

1.3 Batasan Masalah

Untuk menghindari pembahasan yang meluas, dan untuk menjaga pembahasan materi dalam Tugas Akhir ini lebih terarah, maka penulis menetapkan suatu batasan masalah sebagai berikut :

a. Generator Sinkron yg digunakan sebagai aplikasi adalah Generator Sinkron 3 phasa pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT. USU. b. Keadaan yg dipakai adalah keadaan baik.

c. Beban yang digunakan pada percobaan pembebanan generator sinkron 3 phasa ini adalah resistif, induktif, dan kapasitif.

d. Tidak membahas rugi-rugi generator sinkron 3 phasa.

e. Metode yang dipakai dalam perhitungan adalah metode pottier f. Tidak membahas metode-metode yang lainnya.

(18)

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari berbagai sumber pustaka yang relevan mendukung dalam penulisan tugas akhir ini

2. Studi Laboratorium

Melakukan percobaan di laboratorium untuk mendapatkan data-data yang diperlukan

3. Studi Bimbingan

Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen

1.5. SISTEMATIKA PENULISAN

Tugas akhir ini ditulis dengan sistematika penulisan : ABSTRAK

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan gambaran menyeluruh tentang apa yang diuraikan dalam Tugas Akhir ini, yaitu pembahasan tentang latar belakang penulisan, maksud dan tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA

Bab ini menjelaskan teori umum mengenai generator sinkron, konstruksi generator sinkron tiga phasa, rangkaian ekivalen, prinsip kerja, diagram fasor, reaksi jangkar, penentuan parameter generator sinkron.

(19)

BAB III PENGARUH FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON 3 FASA

Bab ini berisikan tentang penentuan Tegangan terminal Generator sinkron, te factor daya,regulasi tegangan,dan metoda segitiga potier(Zero power factor).

BAB IV ANALISA PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL PADA GENERATOR SINKRON 3 FASA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA BEBAN INDUKTIF MENGGUNAKAN METODE POTTIER

Babini berisikan tentang jenis komponen dan spesipikasi peralatan percobaan, rangkaian percoban, prosedur percobaaan, data percobaan, analisis dan grafik hasil percobaan.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Dalam bab ini dituliskan tentang hal-hal yang dianggap penting didalam penulisan yang dirangkumkan sebagai kesimpulan

(20)

BAB II

GENERATOR SINKRON TIGA PHASA

2.1Umum

Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan generator sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembankit listrik. Generator sinkron (sering disebut alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC).

Generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin sinkron tidak dapat start sendiri karena kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga phasa atau generator sinkron satu phasa.

(21)

MESIN AC

MESIN A SINKRON MESIN SINKRON

Gambar 2.1 Pembagian mesin AC

2.2Konstruksi Generator Sinkron

Pada prinsipnya, konstruksi Generator sinkron sama dengan motor sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke-stator.

Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi sederhana dari sebuah generator sinkron secara umum :

(22)

Gambar 2.2 Konstruksi generator sinkron secara umum

2.2.1 Rotor

Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan di induksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu :

1.) Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole)

2.) Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical) 1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)

Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy,

kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek.

Selain itu jenis kutub salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan

(23)

membentuk kutub yang berlawanan. Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.3 berikut :

Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron

Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120-400 rpm). Generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena :

• Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.

• Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.

2. Rotor kutub tak menonjol (Rotor Silinder)

Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub

(24)

pun sedikit yang dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh eksiter

Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugi-rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor). Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4 berikut:

Gambar 2.4 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron

Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron degan kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk pembangkit listrik berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan gas. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan tinggi karena: • Distribusi disekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus

sehinggu lebih baik dari kutub menonjol.

• Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.

(25)

Rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : 1. Slip Ring

Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.

2. Sikat

Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sikron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu. 3. Kumpara rotor (kumparan medan)

Kumparan medan merupakan unsure yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu.

4. Poros Rotor

Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.

2.2.2 Stator

Stator atau armatur adalah bagian generator yang berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder

(26)

dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam wye dipilih karena:

1. Meningkatkan daya output.

2. Menghindari tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun. Dalam lilitan wye tegangan harmonik ketiga masing-masing fasa saling meniadakan, sedangkan dalam lilitan delta tegangan harmonik ditambahkan. Karena hubungan delta tertutup, sehingga membuat sirkulasi arus harmonik ketiga yang meningkatkan rugi-rugi (I2

Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Gambar 2.5 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar.

R).

(27)

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

2.3 Rangkaian Belitan Stator dan Rotor

2.3.1 Belitan Stator

Ada dua jenis belitan stator yang banyak digunakan untuk generator sinkron 3 phasa, yaitu:

1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding). 2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).

1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).

Gambar 2.6 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.

(28)

Gambar 2.6 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa

2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).

Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada Gambar 2.6 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 2.7 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan.

(29)

Gambar 2.7 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa

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.

2.3.1 Belitan Rotor

Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu :

1).Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole)

2).Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical)

Perbedaan utama antara keduanya adalah salient pole rotor digerakkan oleh turbin hidrolik kecepatan rendah sedangkan cylindrical rotor digerakkan oleh turbin uap berkecepatan tinggi. Sebagian besar turbin hidrolik harus berputar pada kecepatan rendah (50 – 300 rpm). Salient pole rotor dihubungkan langsung ke

(30)

roda kincir dan frekuensi yang diinginkan 50 Hz. Jumlah kutub yang dibutuhkan di rotor jenis ini sangat banyak. Sehingga dibutuhkan diameter yang besar untuk memuat kutub yang sangat banyak tersebut. Cylindrical rotor lebih kecil dan efisien daripada turbin kecepatan rendah. Untuk 2 kutub, frekuensi 50 Hz, putarannya 3000 rpm. Untuk 4 kutub, putarannya 1500 rpm. Bentuk rotor yang terdapat pada generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut.

(a) Rotor Kutub Menonjol (b) Rotor Silinder Gambar 2.8 Bentuk Rotor

2.4 Rangkaian Ekivalen

Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari tahanan Ra dan induktansi XIa maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti Gambar 2.9.

(31)

V

R

E

R

V

L

X

I

R

adj

I

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron

Dengan melihat Gambar 2.9 maka tegangan generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.1).

Ea = V + jXarIa + jXLaIa + Ra Ia

Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.2) ………...(2.1)

V = Ea – jXarIa – jXLaIa – Ra

Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau X

...(2.2)

s = Xar + XLa

V = E

, maka menjadi persamaan (2.3).

a – jXsIa – RaIa

V

R

E

R

L

jX

I

V

[Volt]…..…...(2.3)

(32)

Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Diagram fasor yang menunjukkan antara tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.10 dibawah ini:

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa

2.5 Perinsip kerja

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

(33)

medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.

2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya persamaan (2.4)

p f

n=120. ...(2.4) 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 dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan (2.5)

dt d N e=− ϕ

dt t Sin d

N ϕmaks ω

− =

t Cos Nωϕ_maks ω

− =

(34)

dimana : ω =2πf

( )

f Cos t N 2π ϕ_maks ω − = dimana : 120 np f = t Cos np

N π ϕ_maks ω      − = 120 2 maks maks np N

E ϕ

     = 120 . 14 , 3 . 2 2 120 . 14 , 3 . 2 ( 2 maks maks eff np N e E ϕ = = 120 44 ,

4 Npnϕ

= )

120 44 , 4

( Np =C

= ...………..(2.5)

dimana : E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan

C = Konstanta p = Jumlah kutub

n = Putaran (rpm) f = Frequensi (Hz) ϕ= Fluks magnetik (weber)

Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.

(35)

2.6 Reaksi Jangkar

Bila beban terhubung ke terminal generatormaka pada belitan stator akan mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator. Medan magnet ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor. Seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.12:

Gambar 2.12 Model Reaksi Jangkar

Pada Gambar 2.12.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi EA. Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.12.b. Arus stator tadi akan meghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan stator Estat, seperti pada

(36)

Gambar 2.12.c. Vektor penjumlahan antara Bs dan BR menghasilkan Bnet, dan penjumlahan Estat dan EA akan menghasilkan Vϕ pada terminal jangkar.

Saat beban terhubung ke beban induktif, arus jangkar akan tertinggal terhadap tegangan jangkar. Arus pada belitan stator akan menghasilkan medan magnet Bs, yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator Estat. Dua tegangan yaitu tegangan jangkarEA dan tegangan reaksi jangkar Estat akan menghasilkan Vt

, dimana ditunjukkan pada persamaan (2.6)

t = EA + Estat

Tegangan Reaksi Jangkar E

...(2.6)

stat = -jXI

Sehingga persaman 2.6 dapat ditulis kembali pada persamaan (2.7). a

Vt = EA -jXIa

Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator sinkron juga karena adanya tahanan R

...(2.7)

a dan Induktansi belitan stator Xa,

,dan penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga persamaan 2.7 dapat ditulis kembali sebagai persamaan (2.8).

t = EA-jXIa-jXaIa -IaRa

Lalu menjadi persamaan (2.9)

...…..(2.8)

Vt = EA-jXsIa

(37)

2.7 Sistem Eksitasi

Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri dari dua jenis yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikat (brushless excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat

(brushless). Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu : 1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah). 2. Sistem eksitasi statis.

Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari : 1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai.

2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator (PMG).

2.7.1 Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah)

Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh dari sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter. Generator sinkron dan generator arus serah tersebut terkopel dalam satu poros, sehingga putaran generator arus searah sama dengan putaran generator sinkron.

Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan kebelitan rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik pada kumparan utama yang terletak distator generator sinkron.

(38)

Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu generator arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip ring dan sikat menimbulkan masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber arus searah padabelitan medan generator sinkron. Terdapat sikat arang yang menekan slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya. Selain itu pada generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang menekan komutator. Selama pemakaian slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur, generator arus searah juga memiliki keandalan yang rendah. Karena hal-hal seperti diatas dipikirkan hubungan lain dan dikenal apa yang dikenal sebagai generator sinkron static exciter

(penguat statis). Gambar 2.12 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator arus searah.

Gambar 2.13 Sistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus Searah

2.7.2 Sistem Eksitasi Statis

Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak (static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan rotor generator sinkron. Sistem eksitasi statis (static excitation sistem) atau disebut juga dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron. Sumber eksitasi

(39)

pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan output generator itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan penyearah thyristor.

Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, manet sisa ini akan menimbulkan tegangan pada stator tegangan ini kemudian masuk dalam penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan. Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR.

Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan sistem eksitasi statis memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada penggerak mula hilang. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu penyearah karena itu disebut eksiter statis. Gambar 2.14 berikut adalah sistem eksitasi statis.

(40)

Gambar 2.14 Sistem Kksitasi Statis

Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini menyebabkan sistem eksitasi ini tidak efisien dan efektif.

2.7.3 Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai

Sistem eksitasi tanpa sikat diaplikasikan pada generator sinkron, dimana suplai arus searah kebelitan medan dilakukan tanpa melalui sikat. Arus searah untuk suplai eksitasi untuk awal start generator digunakan suplai dari baterai, yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke belitan medan AC exiter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini disearahkan oleh penyearah yang menggunakan dioda, yang disebut rotating rectifier, yang diletakkan pada bagian poros ataupun pada bagian dalam dari rotor generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai dengan putaran rotor, seperti pada gambar 2.15 berikut:

(41)

Gambar 2.15 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai

Dari Gambar 2.15 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung disalurkan kebagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki bersama-sama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan penguat (eksiter).

Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka catu daya DC (baterai) biasanya dilepasdan digantikan oleh penyearah. Penguatan yang dipakai adalah sistem self exitation system yaitu sistem dimana sumber daya

(42)

untuk penguatannya diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri. Gambar 2.15 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat dengan suplai tiga phasa.

Gambar 2.16 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa

Pada Gambar 2.16, untuk membangkitkan arus medan digunakan penyearah, dimana arus yang disearahkan diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri melalui transformator atau sering disebut Eksitasi Transformator, berfungsi menurunkan tegangan keluaran generator untuk disuplai pada penyearah.

2.7.4 Sisten Eksitasi Menggunakan Pemanen Magnet Generator

Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang berputar agar generator tersebut menghasilkan tegangan pada statornya. Medan

(43)

magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah dengan menggunakan magnet permanen sebagai sumber eksitasinya ini disebut dengan Permanen Magnet Generator (PMG).

Generator sinkron yang berkapasitas besar biasanya menggunakan sistem eksitasi brushless yang dilengkapi dengan permanen magnet generator. Hal ini dimaksudkan agar sistem eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung pada sumber daya listrik dari luar mesin itu. Pada Gambar 2.17 dapat dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator.

Gambar 2.17 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator

Dari Gambar 2.17, bahwa pada bagian mesin yang berputar (rotor) terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator eksitasi, kumparan medan generator utama. Hal ini memungkinkan generator tersebut tidak menggunakan slip ring dan sikat dalam pengoperasiannya sehingga lebih efektif dan efisiensi.

(44)

2.8 Karakteristik Generator Sinkron

Karakteristik yang dibahas pada sub bab kali ini adalah : a) Karakteristik Beban Nol

b) Karakteristik Hubung singkat c) Karakteristik Berbeban

2.8.1. Karakteristik Beban Nol (E0 = E0 (If))

Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki langkah-langkah sebagai berikut :

a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n) b.) Tidak ada beban yang terhubung pada terminal

c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If) yang terlihat pada gambar 2.18 di bawah ini:

V

R

E

₀

R

V

L

R

adj

I

X

(45)

Dari Gambar dapat diperoleh persamaan umum generator pada persamaan (2.10). E0 = Vt + Ia (Ra +

jXs

Pada hubungan generator terbuka (beban nol), I )...(2.10)

E0 = Vt = cnΦ …...…..(2.11) = 0. Maka persamaan nya menjadi persamaan (2.11).

Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Φ yang dihasilkan hanya Φf. Sehingga menjadi persamaan (2.12)

E0 =

cnΦ

Dari persamaan (2.12) menjadi persamaan (2.13)

...(2.12)

E0 =

cnI

Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi persamaan (2.14)

.

... (2.13)

E0 =

k

.I

Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan Vt vs If yang disebut juga dengan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit Characteristic). Yang terlihat pada gambar 2.19 dibawah:

... (2.14)

(46)

Gambar 2.19 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)

Dari Gambar 2.19 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva berbentuk hampir benar-benar linear. Hingga pada harga-harga arus medan yang tinggi, bentuk kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai mesin sinkron memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada reluktansi air gap. Sehingga pertama-tama hampir seluruh MMF melewati celah udara dan peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami saturasi, reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih lambat dengan peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut karakteristik air gap line.

2.8.2. Karakteristik Hubung Singkat (Isc = Isc (If

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

(47)

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

c.) Hubung singkat terminal ) pada nol

d.) Ukur arus armatur (Ia

Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar 2.20 berikut.

) pada setiap peningkatan arus medan (If)

V

= 0

R

E

R

V

L

R

adj

I

X

I

Gambar 2.20 Gambar Rangkaian Hubung Singkat

Dari Gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah persamaan (2.15)

E = Vt + Ia (Ra + jXs

Pada saat generator sinkron dihubung singkat, V

)...(2.15) t = 0 dan Ia = Isc

E = I

. Maka persamaan menjadi persamaan (2.16)

sc (Ra + jXs

E=cnΦ maka persamaan nya menjadi persamaan (2.17).

) ...……. (2.16)

cnΦ = Isc (Ra + jXs) ...…. (2.17)

(48)

Karena cn dan (Ra + jXs

cn = k

) bernilai konstan, maka persamaan nya menjadi persamaan (2.18)

sehingga menjadi persamaan (2.19)

...……….. (2.18)

(Ra + jXs) = k2

Sehingga menjadi persamaan (2.20)

...…………. (2.19)

k1.If = Isc. k2 sehingga menjadi persamaan (2.21)

... (2.20)

Isc = I_f k k

1 _{... (2.21)}

Pada karakteristik generator hubung singkat bentuk kurva adalah linear. Hal ini disebabkan oleh medan magnet yang terjadi sangat kecil sehingga inti besi tidak mengalami saturasi. Gambar 2.21 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik hubung singkat pada generator sinkron.

(49)

Ketika generator dihubung singkat, arus armatur pada persamaan (2.22)

(Ia) = Isc

s a

jX R

...…….(2.22)

Harga Mutlaknya adalah pada persamaan (2.23)

Ia = Isc

2 2

s a

jX R

E +

...……….(2.23)

2.8.3. Karakteristik Berbeban (V = V (If

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

))

a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n) b.) Beban (ZL

c.) Arus medan (I

) terpasang pada terminal generator sinkron f

d.) Catat tegangan terminal (V

) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap t) pada setiap peningkatan arus medan (If yang terlihat pada gambar 2.22 berikut:

(50)

V

R

E

R

L

R

adj

I

X

I

L O A D

Gambar 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban

Dari Gambar 2.22 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban pada persamaan (2.24)

Ea = Vt + Ia (Ra +

jXs

Sehingga menjadi persamaan (2.25)

)...(2.24)

Vt = Ea - Ia (Ra + jXs

Pada generator berbeban,

) ... (2.25)

Ia = IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap.terlihat

pada gambar 2.23 di bawah ini:

(51)

2.9 Penentuan Parameter Generator Sinkron Tiga Phasa Dari kedua test :

- Ea dari test beban nol (Open Circuit) - Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)

Diperoleh impedansi sinkron di dapat persamaan (2.26)

Zs =

a a s a

I E jX

R 2+ 2 = ………...……(2.26)

Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : Zs≈ Xs

a a

I E ≈

BAB III

PENGARUH FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON 3 FASA

3.1 Umum

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

(52)

2.9 Penentuan Parameter Generator Sinkron Tiga Phasa Dari kedua test :

- Ea dari test beban nol (Open Circuit) - Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)

Diperoleh impedansi sinkron di dapat persamaan (2.26)

Zs =

a a s a

I E jX

R 2+ 2 = ………...……(2.26)

Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : Zs≈ Xs

a a

I E ≈

BAB III

PENGARUH FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON 3 FASA

3.1 Umum

(53)

tegangan pada beban nol (E0

Untuk mesin – mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali 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 :

) dan regulasi tegangan dapat dihitung dengan persamaan di atas.

a.) Metode impedansi sinkron (EMF) b.) Metode ampere lilit (MMF) c.) Metode Potier (zero power factor)

d.) Metode New ASA (American Standard Association)

Akan tetapi, dalam Tugas Akhir ini hanya akan dibahas metode Potier (zero power factor) dengan faktor daya unity, lagging dan leading

3.2 Pengukuran parameter Generator Sinkron

Parameter yang akan ditentukan adalah Reaktansi Sinkron per fasa Xs dan tahanan belitan jangkar per fasa Ra

Langkah awal penentuan parameter adalah dengan melihat karakteristik beban nol Generator.Pada tes ini, generator diputar pada kecepatan ratingnya dan terminalnya terbuka. Arus Medan dinaikkan bertahap dari nol sampai dimana nilai E

(54)

Dari data tes ini didapat karakteristik EA atau Vt sebagai fungsi dari arus medan If. Dengan karakteristik tersebut diperoleh besar EA untuk arus medan If tertentu. Bentuk karakteristik tes beban nol diperlihatkan pada Gambar 3.1.

If, Amp Vt, Volt

Karakteristik Hubung Buka (Open Circuit) Air Gap

Line

Gambar 3.1 Kurva Karakteristik beban nol

Di bawah kondisi saturasi, efek besi pada inti stator mempunyai reluktansi beberapa ribu kali lebih rendah dari pada reluktansi celah udara, sehingga pada saat pertama, semua MMF yang melalui celah udara akan menghasilkan fluksi yang bertambah secara linier. Ketika akhirnya besi mencapai titik saturasi, reluktansi besi akan bertambah secara drastis dan fluksi akan bertambah besar secara lambat sesuai dengan pertambahan MMF. Garis linier pada karakteristik disebut juga garis celah udara.

Langkah berikutnya adalah tes hubung singkat. Pada kondisi ini terminal jangkar dihubung singkat melalui ampermeter, selanjutnya arus jangkar Ia diperbesar dengan menaikkan arus medan If. Karakteristik Hubung singkat dapat

(55)

dilihat pada Gambar 3.2, pada kondisi ini tegangan terminal Vt=0, sedangkan arus jangkar Ia

dinyatakan oleh persamaan (3.1)

a s a A jX R E +

= …...(3.1)

Dimana besaran magnitudnya adalah pada persamaan (3.2)

Ia ₂ ₂

) ( )

( _a _s

A X R E + = …...(3.2)

Impedansi mesin dapat dihitung berdasarkan persamaan(3.3)

Zs ) ( ) ( ) ( )

( 2 2

scc I occ E X R a A s

a + =

= ………...(3.3)

Dimana, EA(occ) dan Ia(scc) pada arus medan If yang sama.

Ia, Amp

If, Amp Karakteristik hubung

Singkat (Short Circuit)

(56)

3.3 Pengaruh Faktor Daya Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron Tiga Phasa

Adapun faktor yang menjadi keunggulan generator sinkron dibandingkan dengan generator yang lain adalah tingkat regulasi tegangan (VR) adalah suatu ukuran kemampuan dari sebuah generator untuk menjaga tegangan terminal tetap konstan walaupun terjadi perubahan beban. Regulasi tegangan dapat didefenisikan dengan persamaan (3.4)

% 100

0 _x

V V E

VR= − ………...(3.4) dimana E0

V = Tegangan terminal generator pada saat beban penuh [volt] = Tegangan terminal generator pada saat beban nol [volt]

Dengan menggunakan metode impedansi sinkron dapat diperoleh persamaan yang menunjukkan adanya pengaruh beban resistif, kapasitif, dan induktif terhadap regulasi tegangan pada mesin sinkron.

Adapun metode impedansi sinkron tersebut adalah sebagai berikut :

1) Gambar grafik karakteristik rangkaian terbuka dari data yang didapat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3.

2) Dengan cara yang sama, gambar pula grafik karakteristik rangkaian hubung singkat.

Berdasarkan arus medan If, tegangan beban nol yang berhubungan dengan arus medan ini adalah E1. ketika belitan dihubung singkat, tegangan terminal adalah nol. Karenanya itu dapat diasumsikan bahwa semua tegangan E1 ini digunakan untuk mensirkulasikan arus jangkar hubung singkat I1 terhadap impedansi sinkron Zs yang mana pada persamaan (3.5) di bawah ini:

(57)

)

5 .

3 (

...

)

(

)

(

1 1 1

circuit

short

I

sircuit

open

E

Zs

I

E

−

=

∴

=

Gambar 3.3 Diagram karakteristik metode impedansi sinkron

3) Karena Ra diabaikan maka Xs = Zs

4) Berdasarkan vektor diagram seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.4 dapat ditarik persamaan Ea untuk beberapa beban dan faktor daya.

(58)

(b)

(c)

Gambar 3.4 Vektor tegangan generator sinkron

Untuk beban resistif dari Gambar 3.4.a. diperoleh persamaan (3.6)

( )

(

)

A S

A V X I

E = _ϕ + ...(3.6) Untuk beban Induktif dari gambar 3.4.b. diperoleh persamaan (3.7)

(

)

(

)

cos

sinθ θ

ϕ S A s A

A V X I X I

E = + + ...(3.7) Untuk beban Kapasitif dari gambar 3.4.c. diperoleh persamaan (3.8)

(

)

(

)

cos

sinθ θ

ϕ S A s A

A V X I X I

E = − + ...(3.8)

Maka regulasi tegangan terlihat pada persamaan (3.9) %

100

x V E VR= A−

(59)

Dari Gambar 3.4 dapat dilihat bahwa dengan beban resistif atau faktor daya satu maka Eo yang dihasilkan lebih kecil dari pada beban induktif atau faktor daya lagging. Semakin lagging faktor daya suatu beban maka E0 yang dihasilkan semakin besar. Beban kapasitif atau beban dengan faktor daya leading menghasilkan E0 yang lebih kecil dari pada beban resistif atau induktif, semakin leading beban maka semakin kecil E0 yang dihasilkan. Dapat disimpulkan bahwa dengan memperbaiki faktor daya maka E0 yang dihasilkan dari sebuah beban induktif atau beban dengan faktor daya lagging semakin kecil, maka regulasi yang dihasilkan juga semakin baik. Perhatikan Gambar 3.5 dibawah ini:

Gambar 3.5 Perbaikan faktor daya

Dari persamaan 3.6 sampai persamaan 3.8 terlihat bahwa semakin baik faktor dayanya maka (Cos φ), maka Sin φ yang dihasilkan semakin kecil, berarti E0

yang dihasilkan juga semakin kecil. Perhatikan persamaan (3.11) dibawah ini:

0 = ...( 3.11)

Dimana :

a = (untuk beban leading dan lagging)

b = (untuk beban laeding)

(60)

Terlihat bahwa beban lagging memiliki E0

Dengan melihat persamaan (3.12) dibawah ini:

yang lebih kecil dari pada beban leading, maka dari persamaan 3.10 regulasi yang dihasilkan beban leading lebih baik dari beban lagging, maka untuk memperbaiki regulasi pada beban lagging diperlukan beban leading, dalam hal ini beban tersebut diperoleh oleh kapasitor yang disebut sebagai kapasitor perbaikan faktor daya.

Cos2 + Sin 2

Sin =

= 1

...(3.12) Maka semakin besar Cos yang dihasilkan semakin kecil Sin yang dihasilkan, dari persamaan 3.11 jika faktor daya suatu beban baik maka nilai a semakin besar

namun nilai b semakin kecil, artinya E0 yang dihasilkan juga semakin kecil, maka

regulasi yang dihasilkan semakin baik.

Dari Pernayatan diatas diperoleh juga cara memperbaiki faktor daya dengan menambahkan beban kapasitif pada beban, umumnya untuk perbaikan faktor daya menggunakan kapasitor.

Secara teori bahwa semua daya mekanis yang dihasilkan oleh penggerak mula (daya output penggerak mula juga sebagai daya input generator sinkron) generator sinkron diubah menjadi daya elektrik (daya output generator). Perbedaan antara daya output dengan daya input mesin sinkron dipresentasikan sebagai rugi-rugi (losses) mesin. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3.6. Daya

input mekanis pada poros generator (Pin) : Pin = τappωm. Dan daya yang dikonversikan dari mekanikal menjadi elektrikal yang prosesnya terjadi dalam mesin.

(61)

PCONV= τind.ω

CONV = 3EAIA

Dimana γ adalah sudut antara E cosγ

A dengan IA. Perbedaan antara daya input ke generator dan daya yang dikonversikan dalam generator dipresentasikan sebagai rugi-rugi mekanis dan rugi-rugi inti pada mesin.

Gambar 3.6 Diagram Aliran Daya Generator Sinkron

Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka efisiensi generator sinkron dapat dituliskan sebagai persamaan (3.13).

% 100

x P P

in out

η ...(3.13)

dimana :

Pin = Pout +

∑

Prugi

Pout

= daya keluaran in

Rugi-rugi yangterdapat pada generator sinkron terurai menjadi beberapa bagian diantaranya :

= daya masukan

(62)

2. Rugi-rugi inti (core losses)

3. Rugi-rugi mekanik (mechanical losses) 4. Rugi-rugi nyasar (stray losses)

Rugi-rugi angin dan gesekan dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk dari bagian yang berputar, rancangan sudu kipas rotor, desain bantalan (bearing) dan susunan rumah (housing) mesin. Rugi yang hilang tersebut berupa daya yang diperlukan untuk memutarkan kipas guna mensirkulasi udara pendingin dan gesekan bantalan dan sikat.

Rugi-rugi inti dan besi (Pi

Rugi-rugi mekanik dan inti sering digabung bersama yang disebut dengan rugi-rugi beban nol pada mesin. Pada keadaan beban nol, daya input mesin digunakan untuk mengatasi rugi-rugi ini. Oleh karena itu pengukuran daya input stator.

) disebabkan oleh fluksi utama mesin dan terjadi terutama pada gigi-gigi stator (jangkar), pada bagian inti jangkar dekat gigi-gigi stator dan pada permukaan kutub rotor. Inti stator umumnya dibentuk dari laminasi tipis baja silikon yang terisolasi satu sama lain untuk membatasi rugi-rugi histeresis dan arus eddy pada baja.

Rugi-rugi tembaga rotor (PRCL = If2.Rf) dihitung dari arus medan dan tahanan arus searah dari kumparan penguat pada suhu 750 C. Jatuh tegangan pada cincin kolektor sikat umumnya diabaikan, tapi bisa juga disertakan dalam rugi-rugi penguat. Rugi-rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (PSCL = 3IA2.RA) pada umumnya dihitung dari tahanan arus searah kumparan jangkar pada suhu 750

Dari Gambar 3.6 dapat dilihat bahwa persamaan (3.14) di bawah ini: C.

(63)

Pout = Vt IL

Maka semakin baik faktor daya yang dihasilkan maka daya out put juga semakin besar, dengan kata lain rugi – rugi yang dihasilkan menjadi lebih kecil. Maka dari Persamaan 3.13 dapat disimpulkan semakin baik faktor daya, maka efisiensi yang dihasilkan juga semakin baik.

cos φ...(3.14)

3.4 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 Amper)

 Daya aktif (P), Watt

 Daya reaktif (Q), VAR (Volt Amper 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 yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban. . 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

(64)

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 3.7 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 3.7). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Faktor daya menggambarkan sudut phasa antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya yang rendah merugikan karena mengakibatkan arus beban tinggi. Perbaikan faktor daya ini menggunakan kapasitor.

Dalam sebuah sumber arus bolak-balik, bila beban diaplikasikan bersifat resistif murni, maka gelombang tegangan dan arus adalah sefasa seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8

(65)

Gambar 3.8 Beban Resistif

Beban yang bersifat induktif atau kapasitif dapat menggeser titik persilangan nol antara tegangan dan arus. Bila bebannya merupakan beban induktif persilangan nol gelombang arus muncul beberapa saat setelah persilangan nol gelombang tegangan muncul. Hal ini biasa dikatakan sebagai arus tertinggal.

Gambar 3.9. Beban Induktif

Sebaliknya untuk arus beban yang bersifat kapasitif, persilangan nol gelombang arus akan muncul beberapa saat sebelum persilangan nol gelombang tegangan. Hal ini biasa dikatakan sebagai arus mendahului.

(66)

Gambar 3.10 Beban Kapasitif

Sebuah kapasitor daya atau yang dikenal dengan nama kapasitor bank harus mempunyai daya Qc yang sama dengan daya reaktif dari sistem yang akan diperbaiki faktor dayanya. Jika keadaan ini dipenuhi, kapasitor bank akan memperbaiki faktor daya menjadi bernilai maksimum (faktor daya = 1). Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah faktor daya dari cos φ1 menjadi cos φ2

∆Q = P

dapat ditentukan dengan persamaan (3.15)

effTan (φ1 – φ2) VAR ...(3.15)

Gambar 3.11 Perbaikan Faktor Daya

Kemudian besar nilai kapasitornya dapat dihitung dengan persamaan (3.16) ∆Cperfasa = ...(3.16)

(67)

Dimana :

φ

1 :

φ

adalah faktor daya sebelum diperbaiki

2 : ∆C

adalah faktor daya sesudah diperbaiki

perfasa

∆Q : Jumlah daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya (VAR)

: Besar nilai kapasitor perfasa

3.5 Regulasi Tegangan Generator Sinkron

Pengaturan tegangan (voltage regulation) dari suatu generator sinkron dapat didefinisikan sebagai perubahan tegangan terminal dari beban nol (no-load) ke beban penuh (full-load) dengan menjaga eksitasi medan dan putaran tetap, dibagi dengan tegangan beban penuh (full-load). Dimana tegangan pada terminal dari generator sinkron tergantung dari beban yang terpasang dan juga faktor daya (power factor) beban tersebut. Pengaturan tegangan ini dinyatakan dalam persen (%) dari tegangan nominal dan perbedaan tegangan bukan secara vektor, tetapi besaran yang dinyatakan dalam persamaan 3.17.

VR (%) = ...(3.17)

Perlu dicatat bahwa E0 - VFL adalah selisih aritmatik bukan selisih fasor. Faktor – faktor yang mempengaruhi regulasi tegangan sebuah generator sinkron antara lain :

(68)

a.) Jatuh tegangan akibat IaRa b.) Jatuh tegangan akibat I

pada belitan jangkar aX

c.) Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar L

Gambar 3.12 menunjukkan pengaruh perubahan beban terhadap perubahan tegangan terminal dengan faktor daya (power factor) yang berbeda.

Gambar 3.12 Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Tegangan Terminal

Dari Gambar 3.12 dapat dilihat bahwa perubahan tegangan terminal karena reaksi jangkar bergantung pada arus beban (IL) dan faktor daya (PF) dari beban. Untuk beban dengan faktor daya mendahului (leading), tegangan terminal tanpa beban lebih kecil daripada tegangan terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi tegangan bernilai negatif. Untuk beban dengan faktor daya tertinggal (lagging), tegangan terminal tanpa beban lebih besar daripada tegangan terminal beban penuh. Maka, regulasi tegangan bernilai positif. Sedangkan untuk beban dengan faktor daya 1 (unity), nilai tegangan terminal tanpa beban hampir sama dengan nilai tegangan terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi tegangan bernilai mendekati 0 persen.

(69)

Untuk setiap metode mencari regulasi tegangan, diperlukan data – data sebagai berikut :

1.) Tahanan jangkar (armatur) Ra Tahanan jangkar R

a per fasa ditentukan dengan menggunakan metode pengukuran langsung dan bernilai searah (DC). Harga tahanan jangkar efektif (AC) lebih besar dari pada nilai DC ini karena adanya skin effect. Untuk memperoleh nilai efektifnya, nilai hasil pengukuran (nilai DC) biasanya dikalikan faktor kali (f)

R :

a = R

2.) Karakteristik beban nol atau open circuit characteristic (OCC) dc

Sama seperti kurva magnetisasi pada suatu mesin DC, karakteristik beban nol dari suatu generator sinkron adalah kurva antara tegangan terminal jangkar (tegangan fasa – fasa) pada keadaan hubungan terbuka dan arus medan ketika generator sinkron (alternator) bekerja pada kecepatan nominal.

3.) Karakteristik hubung singkat atau short circuit characteristic (SCC) Gambar rangkaian, langkah – langkah dan karakteristik hubung singkat (SCC) telah diperlihatkan disub bab sebelumnya. Dimana, terminal – terminal armatur dihubung singkat melalui ampere meter 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 Potier faktor daya adalah nol.

(70)

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 (

φ

a) dan fluks medan (

φ

f ) berlawanan arah sehingga fluks resultan (

φ

R) bernilai kecil. Karena (

φ

R) 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

3.6 Metode Potier (Zero Power Factor₎

Metode ini berdasarkan pada pemisahan kerugian akibat reaktansi bocor Xl dan pengaruh reaksi jangkar Xa

- Karakteristik Tanpa beban.

. Data yang diperlukan adalah :

- Karakteristik Beban penuh dengan faktor daya nol.

Khusus untuk karakteristik beban penuh dengan faktor daya nol dapat diperoleh dengan cara melakukan percobaan terhadap generator seperti halnya pada saat percobaan tanpa beban, yaitu menaikkan arus medan secara bertahap, yang membedakannya supaya menghasilkan faktor daya nol, maka generator harus diberi beban reaktor murni. Arus jangkar dan faktor daya nol saat dibebani harus dijaga konstan.

(71)

1. Pada kecepatan sinkron dengan beban reaktor, atur arus medan sampai tegangan nominal dan beban reaktor (arus beban) sampai arus nominal. 2. Gambarkan garis sejajar melalui kurva beban nol. Buat titik A yang

menunjukkan nilai arus medan pada percobaan faktor daya nol pada saat tegangan nominal.

3. Buat titik B, berdasarkan percobaan hubung singkat dengan arus jangkar penuh. OB menunjukkan nilai arus medan saat percobaan tersebut.

4. Tarik garis AD yang sama dan sejajar garis OB.

5. Melalui titik D tarik garis sejajar kurva senjang udara sampai memotong kurva beban nol dititik J. Segitiga ADJ disebut segitiga Potier.

6. Gambar garis JF tegak lurus AD. Panjang JF menunjukkan kerugian tegangan akibat reaktansi bocor.

7. AF menunjukkan besarnya arus medan yang dibutuhkan untuk mengatasi efek magnetisasi akibat reaksi jangkar saat beban penuh.

8. DF untuk penyeimbang reaktansi bocor jangkar (JF).

(72)

Gambar 3.13 Diagram Lengkap Metode Segitiga Potier

Dari Gambar diagram Potier diatas, bisa dilihat bahwa :

- V nilai tegangan terminal saat beban penuh.

a. V ditambah JF (I.X) menghasilkan tegangan E.

- BH = AF = arus medan yang dibutuhkan untuk mengatasi reaksi jangkar.

- Bila vektor BH ditambah kan ke OG, maka besarnya arus medan yang

dibutuhkan untuk tegangan tanpa beban E0

%VR =

bisa diketahui dengan persamaan (3.18)

(73)

Diagram vektor potier juga dapat digambarkan terpisah seperti Gambar 3.14 Berikut:

Gambar 3.14 Diagram Vektor Potier

Dari Gambar 3.14 di atas dapat diketahui bahwa :

a.) Untuk faktor daya lagging dengan sudut φ, vektor I digambarkan tertinggal dari V sebesar φ.

b.) Vektor IRa digambarkan sejajar dengan vektor I dan IXL digambarkan tegak lurus terhadap IRa.

c.) Garis OJ menunjukkan besar tegangan E dengan besar eksitasinya (garis OG) yang digambarkan dengan sudut 90º terhadap E (garis OJ).

d.) Garis GI (garis BH = garis AF pada gambar 3.13) menunjukkan arus medan yang sebanding dengan reaksi jangkar beban penuh dan digambarkan sejajar dengan vektor arus I.

e.) Garis OI menunjukkan eksitasi medan untuk tegangan E0. Dimana, vektor E0 tertinggal sebesar 90º terhadap garis OI.

(74)

BAB IV

ANALISA PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL PADA GENERATOR SINKRON 3 FASA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA

BEBAN INDUKTIF MENGGUNAKAN METODE POTTIER

4.1.Umum

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

(75)

1. Percobaan beban nol 2. Percobaan hubung singkat 3. Percobaan perkiraan faktor daya 4. Percobaan Zpf

5. percobaan berbeban

(Zero power factor)

Parameter generator sinkron yang diperlukan adalah Xs dan Zs yang diperoleh dari percobaan beban nol dan hubung singkat, tahanan jangkar Ra tidak diabaikan. Parameter ini diperlukan untuk mendapatkan tegangan beban nol untuk perhitungan regulasi tegangan.

4.2 Peralatan yang Digunakan

a. Generator sinkron

• Tegangan : 220 V

• Hubungan belitan jangkar : Delta • Arus nominal jangkar : 7 Amper • Daya generator : 2,67 kW • Putaran nominal : 1500 rpm • Faktor daya : 0,8 Laging • Kelas isolasi : B

b. Motor arus searah penguatan bebas

• Tegangan : 220 V

• Arus jangkar : 22,7 Amper

(76)

• Tegangan medan : 220 V • Arus medan : 0,17 Amper • Kelas isolasi : F

c. 3 PTDC

d. Beban-beban

• Beban resistif (tahanan variabel dan tahanan geser).

• Kapasitor sebagai beban untuk memperbaiki faktor daya yang besarnya disesuaikan dengan data yang diperlukan.

e. Alat-alat ukur

• Cos ϕ meter

• Volt meter AC dan DC • Amper meter AC dan DC • Watt meter

• Torsi meter • Tacho meter

4.3 Percobaan Perkiraan Parameter Generator Tiga Phasa

4.3.1. Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar 4.3.1.1 Rangkaian Percobaan

(77)

Gambar 4.1 Rangkaian PercobaanPengukuran Tahanan Jangkar

4.3.1.2. Prosedur Percobaan

1. Rangkai Gambar Percobaan 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 amperemeter dicatat.

5. Jika telah selesai rangkaian dilepas.

4.3.1.3 Data Percobaan

Tabel 4.1 Data Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar

VDC IDC

6,2 3,14

4.3.1.4 Analisa Data

(78)

=

= 2,96 Ω

Dikarenakan tahanan jangkar akan beroperasi pada tegangan AC maka RDC

harus dikali faktor koreksi yang harganya 1,1 s/d 1,5.

= 3,84 Ω = 1,3 x 2,96

4.3.2 Percobaan Beban Nol

4.3.2.1 Rangkaian Percobaan

Rangkaikan percobaan beban nol yang digunakan seperti gambar 4.2 dibawah ini

(79)

Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol

4.3.2.2 Prosedur Percobaan

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

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

3. Tutup S

hingga harga nominal.

1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1

4. Catat tegangan terminal saat arus penguat generator belum dinaikkan (I

hingga diperoleh harga nominal.

5. Tutup S

= 0).

3 dan naikkan arus penguat generator secara bertahap dengan mengatur PTDC3

6. Turunkan arus penguat generator (PTDC

. Dimana, putaran dijaga konstan pada setiap kenaikkan arus penguat generator, kemudian catat tegangan terminal.

3 minimum) lalu buka S3. Minimumkan PTDC1 dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2 7. Percobaan selesai.

(80)

4.3.2.3 Data Percobaan

Data percobaan beban nol dapat di lihat pada Tabel 4.1 dibawah ini. Tabel 4.2 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan

Putaran : 1500 rpm

4.3.2.4 Kurva Karakteristik Beban Nol

No If (mA) V (Volt)

1 0 11

2 20 36

3 40 56

4 60 86

5 80 111

6 100 134

7 120 165

8 140 180

9 160 199

10 180 212

11 200 220

12 220 231

13 240 239

14 260 245

15 280 250

16 300 257

17 320 262

18 340 266

19 360 270

(81)

Gambar 4.3 Karakteristik Beban Nol

4.3.3 Percobaan Hubung Singkat 4.3.3.1 Rangkaian Percobaan

Rangkaikan percobaan hubung singkat yang digunakan seperti gambar 4.4 dibawah ini.

Gambar 4.4. Rangkaian Hubung Singkat

(82)

1. Alat-alat dirangkai seperti gambar 4.4, PTDC pada posisi minimum. 2. Tutup S2 dan atur arus medan motor dengan mengatur PTDC2

3. Tutup S

hingga harga nominal.

1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1

4. Tutup S

hingga diperoleh harga nominal.

3 dan naikkan arus penguat generator (If) secara bertahap dengan mengatur PTDC3

5. Catat arus hubung singkat generator (I .

a) untuk setiap tahapan arus medan generator (If

6. Turunkan arus medan generator (I

) dengan putaran generator dijaga konstan. f) hingga nol, lalu buka S3. Minimumkan PTDC1 dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2 7. Percobaan selesai.

4.3.3.3 Data Percobaan

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 0,76

2 ₂₀ _1,3

3 ₃₀ _1,68

4 ₄₀ _2,02

5 ₅₀ _2,34

6 ₆₀ _2,74

7 ₇₀ _3,14

(83)

9 ₉₀ _3,94

10 ₁₀₀ _4,01

11 ₁₂₀ _5,1

4.3.3.4 Kurva Karakteristik Hubung Singkat

Gambar 4.5. Karekteristik Hubung Singkat

4.3.4 Penentuan Parameter Generator Sinkron

Tabel 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat

No.

OCC SCC

If (mA) VΦ (V) If (mA) Ia (A) 1.

0 11 0 0,76

20 36 20 1,3

40 56 40 2,02

(84)

80 111 80 3,56

100 134 100 4,01

120 165 120 5,1

Dari tabel di atas, kita ambil salah satu nilai arus penguatan (If), yaitu 100 mA karena pada nilai arus penguat (If

Dimana, ketika I

) = 100 mA nilai arus jangkar merupakan nilai arus nominal.

= 100 mA Φ

= 165 volt → dari karakteristik beban nol (OCC) a

Maka, dapat diperoleh Z

= 5,1 A → dari karakteristik hubung singkat (SCC)

s = = = 32,35 Ω

Xs =

4.3.5 Percobaan perbaikan faktor daya

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

4.3.5.1 Rangkaian Percobaan

Rangkaian percobaan dapat dilihat pada gambar 4.7 dibawah ini. Beban yang digunakan adalah beban resistif.

(85)

P T D C 1 M V1 S1 G n

PTDC 2 PTDC 3

A2 If

Cos Φ meter

V2 R1 S4 t A A4 C B C S5

Gambar 4.6 Rangkaian Percoban Berbeban

4.3.5.2 Prosedur Percobaan

1. Rangkaian dirangkai seperti Gambar 4.7 di atas. Semua saklar dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Saklar S1, S2 ditutup dan PTDC 1 dan PTDC 2

3. Saklar S

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

3 ditutup dan PTDC 3 diatur sampai arus medan yang terbaca pada A3

4. Beban resistif dipasang dengan menutup saklar S sebesar 100 mA.

4. Beban dinaikkan secara bertahap dengan menjaga If

5. Atur A

dan putaran konstan.

4 hingga menunjukan harga arus Ia yaitu 1,6 A , dicatat nilai yang terbaca pada alat, cos φ meter, V2. V2

6. Tutup saklar S

adalah besar tegangan terminal generator.

5 lalu dicatat kembali nilai yang terbaca pada cos φ meter, V2.

(86)

7. Lalukan proserdur

8. Setelah itu PTDC diturunkan hingga nol dan semua saklar dibuka. nomor 1 sampai dengan 6 untuk arus beban 1,8 A dan 2 A.

9. Percobaan selesai.

4.3.5.3 Data Percobaan

- Sebelum Perbaikan Faktor Daya Pout = Vt Ia

Tabel 4.5 Data Percobaan Sebelum Perbaikan Faktor Daya

Cosφ

Ia1 (A) Vt1 (Volt) Pout (Watt) Torsi (Gram) Cosφ1

1,6 99 197,5

150 0,72

1,8 90 207,6

150 0,74

2 92 229,4 150 0,72

4.3.5.4 Penentuan Nilai Kapasitor Perbaikan Faktor Daya

Target faktor daya yang diinginkan adalah 0,8 dan 0,9 untuk setiap nilai arus beban yang digunakan sebagai objek pengambilan data.

- Target Cos φ 0,8 ; φ = 36,86

∆C

perphasa =

∆Q = P Tan(φ1 – φ2 = 197 Tan (43,95

) VAR 0

– 36,860 = 24,5 VAR

(1)

mengakibatkan kenaikan tegangan terminal Vt, hal ini dikarenakan sifat dari beban kapasitif yang seolah – olah menambah tegangan pada terminal generator.

b. Saran

1. Bahwa penelitian ini tidak bisa menghitung tegangan terminal, dikarenakan tegangan terminal pada metode potier harus di tentukan semana mestinya.

2. Apabila peneliti ingin menghitung tegangan terminal, peneliti harus mengetahui nilai E0

3. Untuk penelitian selanjutnya disarankan untuk melakukan percobaan dengan metode new asa.

(2)

DAFTAR PUSTAKA

1. Theraja, B.L. & Theraja, A.K., “A Text Book of Electrical Tecnology”, New Delhi, S.Chand and Company.,Ltd., 2001.

2. Lister, Eugene C. & Golding, Michael R., “Electric Circuits and Machines”, First Canadian Edition, Canada, Mc Grauw-Hill Ryerson Limited, 1987.

3. Sitepu, Hendra Abdika, “Analisis Regulasi Tegangan Generator Sinkron Kutub Menonjol dengan menggunakan Teori Dua Reaksi ”, Medan, 2006. 4. Wijaya, Mochtar, ”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Penerbit Djambatan, Jakarta,

2001.

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

6. Sumanto, DRS, ” Motor Listrik Arus Bolak-Balik”, Edisi Pertama, Penerbit Andi Offset, Yogyakarta, 1993.

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

8. Richardson, Donal V, Caisse, Arthur J, “Rotating Electric Machinery and Transformer Technologi”, 4rd Edition, Penerbit Prentice Hall, New Jersy, 1997.

(3)

LAMPIRAN

DATA HASIL PERCOBAAN

LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK USU

DATA HASIL PERCOBAAN

I. Data percobaan tahanan jangkar

VDC IDC

6,2 3,14

II. Data Percobaan Beban Nol.

Tegangan induksi sebagai fungsi arus medan Putaran : 1500 rpm

No If V

(Volt) (mA)

1 0 11

2 20 36

3 40 56

4 60 86

5 80 111

6 100 134

7 120 165

8 140 180

9 160 199

10 180 212

11 200 220

12 220 231

13 240 239

14 260 245

15 280 250

16 300 257

17 320 262

(4)

III. Percobaan Hubung Singkat.

Arus hubung singkat sebagai fungsi arus medan Putaran : 1500 rpm

No Arus Medan

Arus Hubung Singkat I

(mA) sc (A)

1 ₀ _0,76

2 ₂₀ _1,3

3 ₃₀ _1,68

4 ₄₀ _2,02

5 ₅₀ _2,34

.6 ₆₀ _2,74

7 ₇₀ _3,14

8 ₈₀ _3,56

9 ₉₀ _3,94

10 100 4,01

11 ₁₂₀ _5,1

IV. Data Percobaan Berbeban

V.Data Percobaan Perbaikan faktor daya Menggunakan kapasitor V.a Sebelum perbaikan faktor daya

Ia1 (A) Vt1 (Volt) Pout (Watt) Torsi (Gram) Cosφ1

1,6 99 197,5

150 0,72

1,8 90 207,6

150 0,74

2 92 229,4 150 0,72

Cos φ V_Ф

1 210

0,7 Lag 193

(5)

V.b Setelah Perbaikan Faktor Daya Vt1 I

(V)

a1 Kapasitor

(μF)

(A) Ia2 V

(A)

t2 Pout (W) (V)

Torsi (gr)

Cosφ2

99 1,6

4 1,26 103 182 150 0,81

8 1,2 110 226,8 150 0,92

90 1,8

4 1,65 100 240 150 0,84

8 1,51 105 255,4 150 0,93

92 2

4 1,78 97 245,2 150 0,85

8 1,7 107 299,3 150 0,95

VI. Data percobaan faktor daya nol (zero power factor) Ia = 5,1 A

N = 1500

Medan, 30 Januari 2013 Asisten

NIM:090402009

RIZKY HARDIANSYAH

Cos φ Vt If (mA)

(6)