Studi Mengenai Penetapan Titik Jenuh Pada Sebuah Generator Sinkron

STUDI MENGENAI PENETAPAN TITIK JENUH PADA SEBUAH GENERATOR SINKRON

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik

Oleh:

PARULIAN SANDY NOVERYANTO 080402109

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

“STUDI MENGENAI PENETAPAN TITIK JENUH PADA SEBUAH

GENERATOR SINKRON”

Oleh:

PARULIAN SANDY NOVERYANTO 080402109

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada Tanggal 26 Bulan Maret Tahun 2014 di depan penguji: 1.Ketua Penguji : Syiska Yana, S.T., M.T.

2.Anggota Penguji : Ir. Panusur S.M. L.Tobing Disetujui Oleh:

Pembimbing Tugas Akhir

Ir.Eddy Warman, M.T. NIP :19541220 198003 1 003

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si. NIP.195405311986011002

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

“STUDI MENGENAI PENETAPAN TITIK JENUH PADA SEBUAH

GENERATOR SINKRON”

Oleh:

PARULIAN SANDY NOVERYANTO 080402109

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada Tanggal 26 Bulan Maret Tahun 2014 di depan penguji: 1. Ketua Penguji : Syiska Yana, S.T., M.T. ………. 2. Anggota Penguji : Ir. Panusur S.M. L.Tobing ……….

Disetujui Oleh: Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Eddy Warman, M.T. NIP : 19541220 198003 1 003

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si. NIP.195405311986011002

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur tiada terkira penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha

Esa atas segala kesehatan, berkat, dan kesempatan yang telah diberikan kepada

penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul :

“STUDI MENGENAI PENETAPAN TITIK JENUH PADA SEBUAH

GENERATOR SINKRON”

Penulisan tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk

menyelesaikan studi dan memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik

Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Tugas akhir ini terutama penulis persembahkan untuk kedua orang tua

yang telah membesarkan penulis dengan penuh kasih sayang yang tak ternilai

harganya dan selalu memberikan penulis doa serta semangat yang begitu luar

biasa, kepada ayahanda tercinta, March Antony Simanjuntak dan ibunda tercinta

Kelima Ratna Br. Sitanggang serta adik-adik penulis, yaitu Valentine Febryanti

Br. Simanjuntak A.Md., Septa Trinitaty Br. Simanjuntak dan namboru saya

tercinta Magdalena Br. Simanjuntak.

Selama masa perkuliahan sampai penyelesaian tugas akhir ini, penulis juga

banyak mendapat dukungan, bimbingan, maupun bantuan dari berbagai pihak.

Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya

kepada :

1. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T. selaku Dosen Pembimbing tugas akhir

yang telah banyak meluangkan waktu dan tempat untuk membimbing dan

2. Bapak Ir. Kasmir Tanjung, M.T. selaku Dosen Wali Penulis selama

menyelesaikan pendidikan di Universitas Sumatera Utara yang juga

banyak memberi masukan kepada penulis dalam menyelesaikan studi di

Departemen Teknik Elektro FT-USU.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. selaku Ketua Departemen Teknik

Elektro FT-USU yang juga telah memberikan nasihat-nasihat untuk

kesuksesan penulis.

4. Bapak Rahmad Fauzi S.T., M.T., selaku Sekretaris Departemen Teknik

Elektro FT-USU.

5. Seluruh staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Elektro

FT-USU.

6. Pimpinan serta seluruh staff di PT. MORAWA ELECTRIC

TRANSBUANA.

7. Ir. Rukman Silaen, Ketua Tim P2TL PLN Wilayah Sumatera Utara.

8. Keluarga-keluarga penulis, tulang dan nantulang, bapauda dan inanguda,

amangboru dan namboru, abang dan kakak, adik-adik, terimakasih buat

doa dan nasihat-nasihatnya.

9. Kekasih penulis, Try Oktavia Br. Aritonang S.Ked. Terimakasih buat

dukungan dan doanya.

10.Rekan-rekan sejawat di Teknik Elektro USU stambuk 2008, Angun

Paskah Marpaung, Andry Nico Manik, Basofi Simanjuntak, Johannes

Sibarani, Louis Yudha Putra Sirait, Yohannes “Petrus” Anugerah Butar -Butar, Syamsarief Baqaruzzi, TMV Basten Hutajulu, Heryanto Simbolon,

Elektro USU 2008 yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu disini,

terimakasih buat dukungan dan bantuannya. Semoga kita menjadi sahabat

yang solid. Elektro.. Cas..Cas.. Cas..

11.Kepada junior-junior penulisan di Teknik Elektro USU : Andreas

Simanjuntak, Riko Pasaribu, Emir Lutfi, Rizky Wira, dan Ferro Hudson,

Ann Alberth Sitorus. Terimakasih buat dukungan kalian dek. Semoga

sukses.

12.Rekan-rekan sepermainan penulis, Mr. Marthin S.T., Bang Arya Pane ‘Sang Master’, Bang Dian Bacoex, Oloni Simanjuntak, Samuel Aland, Dea, Kevin, si ganteng Nuzul, dan James ‘Sang Pemberani’, beserta seluruh staff es dua, terimakasih banyak.

13.Semua orang yang penulis kenal namun tidak dapat penulis sebutkan satu

persatu, penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari kata sempurna,

untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi

penyempurnaan isi dan analisa yang disajikan. Akhir kata, semoga tulisan ini

bermanfaat bagi pembaca.

Medan, 26 Maret 2014

Parulian Sandy Noveryanto

DAFTAR ISI

Abstrak ... i

Kata Pengantar ... ii

Daftar Isi... v

Daftar Gambar ... viii

Daftar Tabel ... x

Lampiran……….. xi

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang ... 1

I.2. Tujuan Penulisan ... 2

I.3. Batasan Masalah ... 2

I.4. Metode Penulisan ... 2

I.5. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II DASAR TEORI II.1. Kemagnetan ... 4

II.1.1 Magnet………... 4

II.1.2. Sifat Magnet Material ... 5

II.1.3. Dipol Magnet Dan Momen Magnet ... 6

II.1.4. Medan Magnet Sekeliling Konduktor Dialiri Arus .. 7

II.1.5. Medan Magnet Yang Dihasilkan Suatu Koil Dialiri Arus ... 8

II.1.6. Permeabilitas Magnetik Dan Magnetisasi ... 10

II.1.7. Jenis-Jenis Magnetisasi ... 11

II.1.8. Jenis-Jenis Material Magnet ... 13

II.1.8.1. Material Magnetik Keras ... 13

II.1.8.2. Material Magnetik Lunak ... 13

II.1.9. Rangkaian Magnetik ... 14

II.1.10. Kurva B-H ... 17

II.1.11. Material Inti Mesin Listrik ... 20

II.2. Generator Sinkron Tiga Fasa……… 20

II.2.1. Konstruksi Generator Sinkron………. 21

II.2.2. Belitan Jangkar………. 23 II.2.3. Pembangkitan Tegangan……….. 25

II.2.4. Kurva Magnetisasi Generator ... 26

II.2.5. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 28

II.2.6. Karakteristik Daya – Sudut Daya ... 29

BAB III METODOLOGI PENELITIAN III.1. Epstein Frame Test ... 31

III.2. Baja Silikon ... 32

III.3. Pengujian Bahan Inti Generator Sinkron ... 33

BAB IV HASIL DAN ANALISIS IV.1. Data Hasil Pengujian ... 35

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan ... 38

V.2 Saran ... 38

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Medan Magnet Suatu Material Magnet ... 4

Gambar 2.2. Kutub-Kutub Magnet... 5

Gambar 2.3. Momen Magnetik ... 6

Gambar 2.4. Medan Magnet Sekeliling Konduktor Dialiri Arus ... 7

Gambar 2.5. Medan Magnet Sekeliling Dua Konduktor Paralel ... 8

Gambar 2.6. Medan Magnet Dihasilkan Koil Dialiri Arus ... 9

Gambar 2.7. Skematik Inti Besi Dengan Suatu Koil ... 9

Gambar 2.8. Kurva Magnetisasi ... 14

Gambar 2.9. Contoh Rangkaian Magnetik ... 14

Gambar 2.10. Rangkaian Magnetik Dengan Celah Udara ... 16

Gambar 2.11. Pola Kurva B-H Feromagnetik dan Ferimagnetik ... 18

Gambar 2.12. Kurva μr Fungsi H ... 18

Gambar 2.13. Kurva B-H Beberapa Material ... 19

Gambar 2.14. Stator Generator Sinkron ... 21

Gambar 2.15 Rotor Silindris ... 22

Gambar 2.16 Rotor Kutub Sepatu ... 23

Gambar 2.17 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron ... 23

Gambar 2.18 Belitan Dua Lapis Generator Sinkron ... 24

Gambar 2.19 Generator Sinkron ... 25

Gambar 2.20 Kurva Magnetisasi Generator Sinkron ... 27

Gambar 2.21. Rangakaian Ekivalen Per Fasa Generator Sinkron ... 28

Gambar 2.22 Kurva Daya Dan Torka Fungsi Sudut Daya Generator Sinkron ... 30

Gambar 3.1. Satu Jenis Epstein Frame ... 33

Gambar 3.2. Susunan Bahan Uji ... 34

Gambar 3.3. Rangkaian Pengujian Karakteristik

Magnetisasi Searah ... 34

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Berbagai Jenis Sifat Magnetisasi ... 12

LAMPIRAN

ABSTRAK

Generator sinkron sebagai alat konversi energi mekanik listrik

menyandarkan proses konversi energi melalui medium medan magnet (fluks

magnet). Tergantung pada kualitas inti magnet yang digunakan, inti magnet akan

mengalami kejenuhan pada besar fluks magnet tertentu.

Berdasarkan rancangannya, generator sinkron beroperasi sedikit pada

daerah knee dari kurva magnetisasi (kurva B-H). Sangatlah penting memprediksi

titik kejenuhan inti magnet pada generator.

Dalam tulisan ini, titik jenuh bahan inti generator sinkron ditentukan

dengan pengujian di PT.MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA. Bahan inti

generator sinkron yang akan diuji adalah baja silikon HI-B Grade menggunakan

Epstein Frame Test. Dari hasil pengujian diperoleh hasil : daerah linier berada

daerah linier berada antara B = 0 sampai B = 244,3 Tesla, daerah knee berada

antara B = 244,3 Tesla sampai B = 278,2 Tesla. Mulai B = 278,2 Tesla, material

baja silikon yang diuji mulai mengalami kejenuhan sampai benar-benar jenuh

pada B = 288,6 Tesla.

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Masalah

. Banyak peralatan-peralatan listrik menyandarkan prinsip kerjanya pada kemagnetan dan material magnetik. Fungsi material magnet adalah menghasilkan dan mengontrol medan magnet untuk melakukan proses konversi energi yang diinginkan, transfer energi, atau prosesing energi. Penggunaan material magnet akan berkaitan dengan kurva magnetisasi material magnet dan ini akan berkaitan dengan kejenuhan (saturasi) material magnetik[1].

Generator sinkron sebagai alat konversi energi mekanik listrik menyandarkan proses konversi energi melalui medium medan magnet (fluks magnet). Fluks magnet generator sinkron dihasilkan oleh suatu inti magnet yang dililiti kawat dan dialiri arus searah (arus penguat). Tergantung kualitas inti magnet yang digunakan, inti magnet akan mengalami kejenuhan pada besar fluks magnet tertentu. Penomena saturasi sangat nyata mempengaruhi tegangan yang dibangkitkan generator dan sudut daya generator[2,3].

Normalnya, berdasarkan rancangannya, generator sinkron beroperasi sedikit pada daerah knee dari kurva magnetisasi (kurva B-H). Generator tidak akan dioperasikan pada daerah di luar knee, karena rugi-rugi akan naik signifikan, dan arus serta tegangan keluaran akan terdistorsi. Efisiensi akan turun nyata diluar daerah knee karena energi diubah menjadi panas bukan menjadi energi listrik[1]. Oleh karena itu sangatlah penting memprediksi titik kejenuhan inti magnet generator. Tulisan ini berkaitan dengan studi penentuan titik jenuh inti suatu generator sinkron.

I.2. Tujuan Penulisan Tugas Akhir

Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah memperlihatkan bagaimana menentukan titik jenuh inti magnet generator dengan pengujian.

I.3. Batasan Masalah

Untuk memperjelas pokok bahasan sesuai dengan tujuan penulisan tugas akhir, ada beberapa batasan masalah yang dibuat, antara lain :

1. Material inti yang diuji adalah inti rotor, bukan inti stator,

2. Material inti yang diuji adalah material yang ada pada PT.MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.

3. Tidak membahas sistem eksitasi generator.

I.4. Metode Penulisan 1. Studi Pustaka

Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data yang dibutuhkan dan

kemudian dilakukan studi pustaka dari buku-buku, artikel-artikel,

paten-paten, karya ilmiah dan browsing internet yang menunjang

penelitian ini.

2. Studi Lapangan dan Eksperimen

Pada tahap ini dilakukan observasi langsung ke lapangan untuk untuk

mendapatkan data yang diperlukan.

3. Studi Bimbingan

Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini

I.5. Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini ditulis dalam lima (5) bab dengan uraian isi setiap bab

sebagai berikut.

BAB I PENDAHULUAN

Didalam bab ini berisikan latar belakang materi penulisan tugas akhir,

pokok bahasan, tujuan penulisan, metode penulisan, dan batasan masalah.

BAB II DASAR TEORI

Didalam bab ini berisikan teori-teori yang berkaitan dengan penulisan

tugas akhir dimana akan dibahas tentang kemagnetan dan generator sinkron tiga

fasa.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Didalam bab ini akan dibahas tentang metodologi dari pengujian yang

dilakukan di PT.MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.

BAB IV HASIL DAN ANALISA

Didalam bab ini akan berisi hasil berupa data dan grafik serta analisa dari

hasil pengujian yang dilakukan di PT. MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Didalam bab ini akan membahas mengenai kesimpulan dan saran yang

diperoleh dari hasil pengujian yang telah dilakukan.

BAB II DASAR TEORI II.1. Kemagnetan

II.1.1. Magnet

Magnet adalah suatu benda yang dibuat dari material tertentu yang menghasilkan suatu medan magnet. Medan magnet suatu magnet adalah daerah sekeliling magnet dimana magnet dapat menarik atau menolak suatu benda. Diluar daerah ini magnet tidak mempunyai pengaruh.

Gambar 2.1. Medan Magnet Suatu Material Magnet[5]

Material dapat bersifat magnet dari dasarnya (alami) atau magnet buatan (magnet listrik). Pada umumnya, material dibuat menjadi magnet dengan mengalirkan arus listrik melalui kawat yang dililiti pada material.

II.1.2. Sifat Magnet Material

Kemagnetan adalah suatu penomena material yang memperlihatkan suatu pengaruh gaya tarik atau gaya tolak terhadap material lain. Gaya bekerja pada sustu jarak tertentu dan dapat dianalisis dalam bentuk medan magnet.

Seluruh material yang mempunyai sifat magnet seperti besi, nikel, dan kobalt, mempunyai kutub utara (N, north) dan kutub selatan (S, south). Kutub yang sejenis akan tolak-menolak dan kutub yang tidak sejenis akan tarik menarik. Gambar berikut memperlihatkan peristiwa ini.

a) Gaya Tolak Menolak b) Gaya Tarik Menarik Gambar 2.2. Kutub-Kutub Magnet[5]

Ada tiga jenis magnet yang dapat menarik benda lain, yaitu magnet permanen, magnet temporer, dan magnet listrik. Magnet permanen sering juga disebut magnet keras (hard magnet) mempertahankan sebagian sifat magnetnya dan hanya hilang pada kondisi demagnetising. Sifat-sifat magnet permanen adalah : remanensi tinggi, permeabiliti tingi, medan koersif tinggi, loop histeresis besar, dan memerlukan daya listrik besar untuk mencapai satu siklus penuh. Magnet temporer bersifat seperti magnet permanen bila berada dalam medan magnet yang kuat tetapi kehilangan magnetnya bila medan magnet hilang. Magnet temporer mempunyai loop histeresis kecil sehingga mudah dibuat menjadi magnet dan dihilangkan magnetnya. Magnet listrik dihasilkan dengan suatu lilitan kawat dalam suatu material magnet seperti besi lunak atau bukan material magnet seperti udara. Magnet listrik bersifat seperti magnet permanen bila lilitan kawat dialiri arus listrik.

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Masalah

. Banyak peralatan-peralatan listrik menyandarkan prinsip kerjanya pada kemagnetan dan material magnetik. Fungsi material magnet adalah menghasilkan dan mengontrol medan magnet untuk melakukan proses konversi energi yang diinginkan, transfer energi, atau prosesing energi. Penggunaan material magnet akan berkaitan dengan kurva magnetisasi material magnet dan ini akan berkaitan dengan kejenuhan (saturasi) material magnetik[1].

Generator sinkron sebagai alat konversi energi mekanik listrik menyandarkan proses konversi energi melalui medium medan magnet (fluks magnet). Fluks magnet generator sinkron dihasilkan oleh suatu inti magnet yang dililiti kawat dan dialiri arus searah (arus penguat). Tergantung kualitas inti magnet yang digunakan, inti magnet akan mengalami kejenuhan pada besar fluks magnet tertentu. Penomena saturasi sangat nyata mempengaruhi tegangan yang dibangkitkan generator dan sudut daya generator[2,3].

Normalnya, berdasarkan rancangannya, generator sinkron beroperasi sedikit pada daerah knee dari kurva magnetisasi (kurva B-H). Generator tidak akan dioperasikan pada daerah di luar knee, karena rugi-rugi akan naik signifikan, dan arus serta tegangan keluaran akan terdistorsi. Efisiensi akan turun nyata diluar daerah knee karena energi diubah menjadi panas bukan menjadi energi listrik[1]. Oleh karena itu sangatlah penting memprediksi titik kejenuhan inti magnet generator. Tulisan ini berkaitan dengan studi penentuan titik jenuh inti suatu generator sinkron.

I.2. Tujuan Penulisan Tugas Akhir

Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah memperlihatkan bagaimana menentukan titik jenuh inti magnet generator dengan pengujian.

I.3. Batasan Masalah

Untuk memperjelas pokok bahasan sesuai dengan tujuan penulisan tugas akhir, ada beberapa batasan masalah yang dibuat, antara lain :

1. Material inti yang diuji adalah inti rotor, bukan inti stator,

2. Material inti yang diuji adalah material yang ada pada PT.MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.

3. Tidak membahas sistem eksitasi generator.

I.4. Metode Penulisan 1. Studi Pustaka

Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data yang dibutuhkan dan

kemudian dilakukan studi pustaka dari buku-buku, artikel-artikel,

paten-paten, karya ilmiah dan browsing internet yang menunjang

penelitian ini.

2. Studi Lapangan dan Eksperimen

Pada tahap ini dilakukan observasi langsung ke lapangan untuk untuk

mendapatkan data yang diperlukan.

3. Studi Bimbingan

Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini

I.5. Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini ditulis dalam lima (5) bab dengan uraian isi setiap bab

sebagai berikut.

BAB I PENDAHULUAN

Didalam bab ini berisikan latar belakang materi penulisan tugas akhir,

pokok bahasan, tujuan penulisan, metode penulisan, dan batasan masalah.

BAB II DASAR TEORI

Didalam bab ini berisikan teori-teori yang berkaitan dengan penulisan

tugas akhir dimana akan dibahas tentang kemagnetan dan generator sinkron tiga

fasa.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Didalam bab ini akan dibahas tentang metodologi dari pengujian yang

dilakukan di PT.MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.

BAB IV HASIL DAN ANALISA

Didalam bab ini akan berisi hasil berupa data dan grafik serta analisa dari

hasil pengujian yang dilakukan di PT. MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Didalam bab ini akan membahas mengenai kesimpulan dan saran yang

diperoleh dari hasil pengujian yang telah dilakukan.

BAB II DASAR TEORI II.1. Kemagnetan

II.1.1. Magnet

Magnet adalah suatu benda yang dibuat dari material tertentu yang menghasilkan suatu medan magnet. Medan magnet suatu magnet adalah daerah sekeliling magnet dimana magnet dapat menarik atau menolak suatu benda. Diluar daerah ini magnet tidak mempunyai pengaruh.

Gambar 2.1. Medan Magnet Suatu Material Magnet[5]

Material dapat bersifat magnet dari dasarnya (alami) atau magnet buatan (magnet listrik). Pada umumnya, material dibuat menjadi magnet dengan mengalirkan arus listrik melalui kawat yang dililiti pada material.

II.1.2. Sifat Magnet Material

Kemagnetan adalah suatu penomena material yang memperlihatkan suatu pengaruh gaya tarik atau gaya tolak terhadap material lain. Gaya bekerja pada sustu jarak tertentu dan dapat dianalisis dalam bentuk medan magnet.

Seluruh material yang mempunyai sifat magnet seperti besi, nikel, dan kobalt, mempunyai kutub utara (N, north) dan kutub selatan (S, south). Kutub yang sejenis akan tolak-menolak dan kutub yang tidak sejenis akan tarik menarik. Gambar berikut memperlihatkan peristiwa ini.

a) Gaya Tolak Menolak b) Gaya Tarik Menarik Gambar 2.2. Kutub-Kutub Magnet[5]

Ada tiga jenis magnet yang dapat menarik benda lain, yaitu magnet permanen, magnet temporer, dan magnet listrik. Magnet permanen sering juga disebut magnet keras (hard magnet) mempertahankan sebagian sifat magnetnya dan hanya hilang pada kondisi demagnetising. Sifat-sifat magnet permanen adalah : remanensi tinggi, permeabiliti tingi, medan koersif tinggi, loop histeresis besar, dan memerlukan daya listrik besar untuk mencapai satu siklus penuh. Magnet temporer bersifat seperti magnet permanen bila berada dalam medan magnet yang kuat tetapi kehilangan magnetnya bila medan magnet hilang. Magnet temporer mempunyai loop histeresis kecil sehingga mudah dibuat menjadi magnet dan dihilangkan magnetnya. Magnet listrik dihasilkan dengan suatu lilitan kawat dalam suatu material magnet seperti besi lunak atau bukan material magnet seperti udara. Magnet listrik bersifat seperti magnet permanen bila lilitan kawat dialiri arus listrik.

Kuat dan polaritas medan magnet yang dihasilkan oleh magnet listrik diatur dengan mengubah besar arus mengalir melalui kawat dan mengubah arah aliran arus.

II.1.3. Dipol Magnet dan Momen Magnet[5,6]

Sifat magnet suatu material ditentukan terutama oleh struktur elektronnya yang akan memberi dipol-dipol magnet. Interaksi dipol-dipol ini akan menentukan sifat magnet material.

Dipol-dipol magnet ada dalam seluruh material magnet. Dipol-dipol magnet yang sudah ada sebelumnya dalam material diarahkan dalam berbagai cara tetapi akan dipengaruhi bila medan magnet luar dibangkitkan. Dalam medan magnet, gaya yang ada mungkin menghasilkan torka yang cenderung mengarahkan dipol-dipol searah medan.

Secara fisika, penyebab kemagnetan dalam objek adalah dipol magnetik atom yang berkaitan dengan elektron. Dipol magnet atau momen magnetik adalah hasil dua jenis pergerakan elektron. Yang pertama dengan gerak orbital elektron sekeliling inti (gambar 2.3a). Yang kedua momen magnetik yang disebut dipol putar yang berasal dari elektron berputar (gambar 2.3b).

Gambar 2.3. Momen Magnetik Berkaitan dengan[5]: (a) Suatu Orbital Elektron

(b) Elektron Berputar

Seluruh momen magnetik atom adalah jumlah seluruh momen dari masing-masing atom. Dalam setiap individu atom, momen orbital dari hampir seluruh pasang atom saling mengkansel satu sama lain. Perbedaan dalam

konfigurasi elektron dalam berbagai elemen akan menentukan sifat dan besar momen magnetik atom yang pada akhirnya menentukan sifat-sifat magnet dari berbagi material.

II.1.4. Medan Magnet Sekeliling Konduktor Dialiri Arus[5,6]

Bila suatu konduktor dialiri arus, suatu medan magnet dihasilkan disekeliling konduktor (gambar 2.4A). Jika suatu kompas berada di sekitar konduktor ini, jarum kompas akan meluruskan diri tegak lurus konduktor yang menunjukkan ada medan magnet.

Suatu pandangan penampang konduktor yang dialiri arus menuju pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4B. Arah arus dinyatakan dengan tanda

dot yang menggambarkan kepala panah. Suatu konduktor yang dialiri arus menjauhi pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4C. Arah arus dinyatakan dengan tanda cross yang menggambarkan ekor panah. Perhatikan bahwa medan magnet sekeliling konduktor tegak lurus ke konduktor dan garis-garis gaya magnet sama panjang seluruh konduktor.

Jika dua konduktor paralel dan berdekatan dialiri arus dalam arah sama seperti diperlihatkan dalam gambar 2.5A, medan magnet yang dihasilkan kedua konduktor akan membantu satu sama lain. Sebaliknay, jika arah kedua arus dalam konduktor berlawanan, medan yang dihasilkan kedua konduktor akan menolak satu sama lain (gambar 2.5B).

Gambar 2.5. Medan Magnet Sekeliling Dua Konduktor Paralel[5]

II.1.5. Medan Magnet Yang Dihasilkan Suatu Koil Dialiri Arus[5,6]

Untuk memperbesar kuat medan magnet digunakan suatu koil N lilit seperti yang dikonstruksikan dalam gambar 2.6. Koil dibentuk dengan melilitkan suatu konduktor sekeliling suatu inti besi.

Kuat medan magnet berbanding lurus dengan jumlah lilitan maupun besar arus yang mengalir. Medan magnet sekeliling setiap lilitan kawat tergandeng dengan medan yang dihasilkan dalam lilitan berdekatan bila suatu arus lewat melalui koil. Jika koil dikonstruksikan seperti gambar 2.7, kuat medan magnet koil dapat diestimasi menggunakan persamaan :

B H H

B _{  }



Kuat dan polaritas medan magnet yang dihasilkan oleh magnet listrik diatur dengan mengubah besar arus mengalir melalui kawat dan mengubah arah aliran arus.

II.1.3. Dipol Magnet dan Momen Magnet[5,6]

Sifat magnet suatu material ditentukan terutama oleh struktur elektronnya yang akan memberi dipol-dipol magnet. Interaksi dipol-dipol ini akan menentukan sifat magnet material.

Dipol-dipol magnet ada dalam seluruh material magnet. Dipol-dipol magnet yang sudah ada sebelumnya dalam material diarahkan dalam berbagai cara tetapi akan dipengaruhi bila medan magnet luar dibangkitkan. Dalam medan magnet, gaya yang ada mungkin menghasilkan torka yang cenderung mengarahkan dipol-dipol searah medan.

Secara fisika, penyebab kemagnetan dalam objek adalah dipol magnetik atom yang berkaitan dengan elektron. Dipol magnet atau momen magnetik adalah hasil dua jenis pergerakan elektron. Yang pertama dengan gerak orbital elektron sekeliling inti (gambar 2.3a). Yang kedua momen magnetik yang disebut dipol putar yang berasal dari elektron berputar (gambar 2.3b).

Gambar 2.3. Momen Magnetik Berkaitan dengan[5]: (a) Suatu Orbital Elektron

(b) Elektron Berputar

Seluruh momen magnetik atom adalah jumlah seluruh momen dari masing-masing atom. Dalam setiap individu atom, momen orbital dari hampir seluruh pasang atom saling mengkansel satu sama lain. Perbedaan dalam

konfigurasi elektron dalam berbagai elemen akan menentukan sifat dan besar momen magnetik atom yang pada akhirnya menentukan sifat-sifat magnet dari berbagi material.

II.1.4. Medan Magnet Sekeliling Konduktor Dialiri Arus[5,6]

Bila suatu konduktor dialiri arus, suatu medan magnet dihasilkan disekeliling konduktor (gambar 2.4A). Jika suatu kompas berada di sekitar konduktor ini, jarum kompas akan meluruskan diri tegak lurus konduktor yang menunjukkan ada medan magnet.

Suatu pandangan penampang konduktor yang dialiri arus menuju pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4B. Arah arus dinyatakan dengan tanda

dot yang menggambarkan kepala panah. Suatu konduktor yang dialiri arus menjauhi pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4C. Arah arus dinyatakan dengan tanda cross yang menggambarkan ekor panah. Perhatikan bahwa medan magnet sekeliling konduktor tegak lurus ke konduktor dan garis-garis gaya magnet sama panjang seluruh konduktor.

Jika dua konduktor paralel dan berdekatan dialiri arus dalam arah sama seperti diperlihatkan dalam gambar 2.5A, medan magnet yang dihasilkan kedua konduktor akan membantu satu sama lain. Sebaliknay, jika arah kedua arus dalam konduktor berlawanan, medan yang dihasilkan kedua konduktor akan menolak satu sama lain (gambar 2.5B).

Gambar 2.5. Medan Magnet Sekeliling Dua Konduktor Paralel[5]

II.1.5. Medan Magnet Yang Dihasilkan Suatu Koil Dialiri Arus[5,6]

Untuk memperbesar kuat medan magnet digunakan suatu koil N lilit seperti yang dikonstruksikan dalam gambar 2.6. Koil dibentuk dengan melilitkan suatu konduktor sekeliling suatu inti besi.

Kuat medan magnet berbanding lurus dengan jumlah lilitan maupun besar arus yang mengalir. Medan magnet sekeliling setiap lilitan kawat tergandeng dengan medan yang dihasilkan dalam lilitan berdekatan bila suatu arus lewat melalui koil. Jika koil dikonstruksikan seperti gambar 2.7, kuat medan magnet koil dapat diestimasi menggunakan persamaan :

B H H

B _{  }



Dengan : B = kerapatan fluks H = kuat medan magnet

μ = konstanta permeabilitas magnet.

Gambar 2.6. Medan Magnet Dihasilkan Koil Dialiri Arus[5]

Gambar 2.7. Skematik Inti Besi Dengan Suatu Koil[5]

Kerapatan fluks maksimum B akan ada pada pusat koil yang dinyatakan dengan persamaan :

2 2

4r l NI B



  (2.2)

2 2

4r l NI B

 

Dengan : N = jumlah lilitan,

I = arus mengalir melalui koil, r = radius efektif koil,

l = panjang koil

Kombinasi persamaan (2.1) dan (2.3) memberi hasil :

2 2

4r l

NI H



 (2.4)

II.1.6. Permeabilitas Magnetik Dan Magnetisasi[5]

Permeabilitas magnetik μ adalah sifat suatu spesifik medium dimana kuat medan magnet H lewat dan dimana kerapatan fluks magnet B diukur. Dimensinya adalah webers per ampere-meter (Wb/A-m) atau henri per meter (H/m).

Kuat medan magnet H adalah besar gaya magnetisasi yang berbanding terbalik dengan panjang koil dan berbanding lurus dengan besar arus mengalir melalui koil. Berdasarkan hukum Ampere, integral garis H sekeliling lintasan tertutup sama dengan besar arus yang dilingkupi lintasan. Atau dalam bentuk persamaan :



H.dL I = F (2.5)

Dengan F adalah adalah gaya gerak magnet (mmf) yang sama dengan arus yang dilingkupi.

Jika integrasi persamaan (2.5) terdiri dari sejumlah kawat N lilit dengan arus dalam arah sama, persamaan (2.5) dapat ditulis menjadi :



H.dL F  NI (2.6) Jika medan magnet dibangkitkan oleh suatu koil silindris, maka :

L NI

H  (2.7)

Kerapatan fluks magnet B menggambarkan besar kuat medan internal yang dipengaruhi oleh H. Dalam ruang hampa (vakum) :

B ₀H (2.8) Dengan : ₀ = permeabilitas ruang hampa = 4π x 10-7≈ 1,257 x 10-6 T.m/A.

Jika ada material lain selain ruang hampa, persamaan (2.8) akan menjadi : Br0H H (2.9)

μr adalah permeabilitas relatif (tanpa satuan) material yang digunakan mengukur derajat material dapat dimagnetisasi.

0

 

r  (2.10)

Magnetisasi M adalah suatu sifat material yang menggambarkan kerapatan fluks magnet yang tersisa (residu) dalam material dan dinyatakan dengan :

B₀H₀M (2.11)

Dimana M adalah magnetisasi material (momen magnet per unit volume, A.m2/kg atau Wb.m/kg).

Pada umumnya, suatu material menjadi magnet sebagai respon terhadap medan luar H dan dapat diukur melalui suseptibilitas dan permeabilitas. Oleh sebab itu M dapat dinyatakan dengan :

M _mH (2.12)

Dimana _m adalah suseptibilitas magnetik (tanpa satuan). Suseptibilitas magnetik adalah derajat magnetisasi suatu material sebagai respon terhadap medan luar. Permeabilitas relatif dan suseptibilitas magnetik dihubungkan dengan persamaan : _r 1 (2.13)

II.1.7. Jenis-Jenis Magnetisasi[4,5]

Material dapat diklasifikasikan berdasarkan responnya terhadap medan magnet luar yang terpasang. Berdasarkan ini material diklasifikasikan menjadi :

diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, ferimagnetik, dan anti feromagnetik. Diamagnetik adalah bentuk magnetisasi paling lemah. Magnetisasi hanya ada selama medan luar digunakan pada material. Permeabilitas relatif kecil dari satu, dan suseptibilitas magnetik adal negatif. Besar kerapatan fluks B dalam material diamagnetik solid lebih kecil dari B ruang hampa. Contoh material ini adalah : tembaga, perak, emas, dan alumina.

Dalam material paramagnetik seperti aluminium dan titanium, setiap atom membentuk suatu momen dipol permanen yang akan menghasilkan momen magnetik walau tidak ada medan luar. Dengan tidak adanya medan luar, orientasi momen magnetik atom adalah acak (random). Tetapi, bila medan luar dipasang, momen magnetik mengalami suatu torka yang meluruskannya dengan arah medan.

Tabel 2.1. Berbagai Jenis Sifat Magnetisasi[5]

Jenis Magnetisasi Sifat Magnetisasi Suseptibilitas Magnetik Contoh Material Diamagnetik Paramagnetik Feromagnetik Anti Feromagnetik Ferimagnetik Tembaga, perak, emas, alumina Aluminium, titanium, campuran tembaga

Besi, nikel, kobal

Manganese, kromium, MnO, NiO

Ferit Kecil dan negatif

Kecil dan positif

Kecil dan positif Sangat besar dan positif

Besar dan positif

Material feromagnetik seperti besi, nikel, dan kobal dianggap subtansi magnetik yang paling penting. Seluruh dipol magnet dalam domain diarahklan

paralel satu sama lain. Permeabilitas magnetiknya sangat besar dan mampu mempertahankan momen magnetik permanen walau medan luar tidak ada. Jika momen magnetik dari atom berdekatan diarahkan dalam arah anti paralel satu sama lain, material dikatakan anti feromagnetik. Jika momen magnetik tidak sama dan diarahkan berlawanan satu sama lain, momen magnetik sama dengan nol. Material dikatakan ferimagnetik.

II.1.8. Jenis-Jenis Material Magnet[4,5,6] II.1.8.1. Material Magnetik Keras

Magnet keras (hard magnet) dipandang sebagai magnet permanen, material yang saturasi secara magnet. Salah satu faktor yang penting dalam magnet permanen adalah remanensi magnetik material.

Penomena ini terjadi bila medan magnet yang ada dipindahkan dan sebagian magnetisasi jenuh masih ada. Pada tingkat tertentu diperlukan energi untuk memaksa domain kembali ke kondisi semula. Normalnya, material magnetik keras digunakan untuk menghasilkan magnet permanen.

II.1.8.2. Material Magnetik Lunak

Material magnetik lunak (soft) hanya memerlukan sedikit medan magnet untuk membuatnya menjadi magnet. Material ini mempunyai koersivitas rendah dan sekali medan magnetnya hilang, kerapatan fluks akan menjadi nol. Rangkaian arus bolak-balik atau searah dapat digunakan untuk membangkitkan medan magnet atau menghasilkan suatu gaya.

Permeabilitas merupakan pertimbangan utama untuk pemilihan material untuk penerapan dalam arus searah. Dimana saturasi dapat menjadi sangat nyata. Untuk penerapan dalam arus bolak-balik, rugi energi akan menjadi pertimbangan utama. Rugi energi dapat berasal dari tiga sumber berbeda, yaitu : rugi histeresis, rugi arus eddy, rugi anomalus (rugi magnetik dalam material lunak).

Gambar 2.7. Kurva Magnetisasi[6]

II.1.9. Rangkaian Magnetik[5]

Rangkaian magnetik adalah suatu lintasan tertutup suatu fluks magnetik. Pada umumnya, lintasan ini dibentuk elemen magnetik seperti magnet permanen, material feromagnetik, dan magnet listrik. Dasarnya, rangkaian magnetik bisa membentuk rankaian paralel dan seri.

Gambar 2.8. Contoh Rangkaian magnetik[5]: (a) Seri; (b) paralel.

Jika  adalah fluks magnet, F adalah gaya gerak magnet yang ada dalam rangkaian, dan  adalah reluktansi rangkaian, maka



 F

 (2.14)

Persamaan (2.14) analog dengan hukum Ohm dalam rangkaian listrik. , F, dan

 analog dengan I, V, dan R dalam rangkaian listrik. Ini berarti  dapat ditulis sebagai : A l  

 (2.15) Dimana : A = luas penampang lintasan fluks, m2

 = permeabilitas material, H/m l = panjang lintasan magnetik, m

Reluktansi rangkaian magnetik berbanding lurus dengan panjang lintasan magnetik dan berbanding terbalik dengan luas penampang. Persamaan (2.15) analog dengan persamaan tahanan listrik R.

Dalam rangkaian tanpa sela (gapless) seperti gambar 2.8, NI yang diperlukan untuk menghasilkan kerapatan fluks B tertentu dapat dihitung dari persamaan

NI = Hl (2.16)

Harga H yang sesuai dapat diambil dari kurva B-H material inti yang digunakan. Selanjutnya B dihitung dari persamaan :

r NI l NI B    2 

 (2.17)

Dalam sebagian rangkaian magnetik khususnya yang memiliki celah udara, ada kecenderungan fluks keluar lintasan (fluks bocor) atau menyebar dalam celah udara. Fluks bocor tidak efektif dan diperlukan F lebih besar untuk mengkompensasinya. Penyebaran fluks dalam celah udara disebut fringing leakage. Jika celah udara lebar, penyebaran fluks juga akan lebih lebar. Ini akan mengurangi kerapatan fluks B dalam celah udara.

Gambar 2.9. Rangkaian Magnetik Dengan Celah Udara[5]

Celah udara sangat umum digunakan dalam peralatan magnetik seperti mesin berputar dan mempengaruhi karakteristik inti. Dalam rancangan mesin dengan celah udara, diinginkan mempunyai celah lebih kecil dari jarak mekanikal. Panjang inti bukanlah faktor yang utama.

Kuat medan magnet dalam celah udara Hg dan inti besi Hc dinyatakan dengan :

0



B

H_g  (2.18) 0  r c B

H  (2.19) Berdasarkan hukum Ampere, gaya gerak magnet F dinyatakan dengan : F  NI 



H.dl (2.20) Jika fluks bocor diabaikan, B dan H dalam inti besi akan konstan. Atau :

F  NI 



H.dl = Hironliron + Hgaplgap =

0 0    gap r iron Bl Bl

 (2.21) Kerapatan energi w yang tersimpan dalam medan magnet dinyatakan dengan :



2

2 1 B

w (2.22)

Asumsikan celah udara kecil dan medan dalam celah udara seragam, maka energi total Wm yang tersimpan dalam celah udara dinyatakan dengan :

0 2 2 Ag B

Dengan : A = luas celah udara, m2 g = lebar celah udara, m

Jika inti besi fleksibel, sehingga celah udara harus tetap terbuka dengan suatu gaya F. Jika gaya naik, celah udara akan naik sebesar Δg, pada waktu sama arus dalam koil diperbesar untuk mempertahankan kerapatan fluks B konstan dalam rangkaian magnetik, maka energi tersimpan naik sebesar

W_m  B Ag 0 2

2 (2.24) Energi dapat dinyatakan sebagai perkalian gaya dengan jarak :

W_m  Fg (2.25) Dari persamaan (2.24) dan (2.25) diperoleh

0 2 2 A B

F  (2.26) F adalah gaya yang diperlukan menjaga kutub-kutub terpisah satu sama lain.

II.1.10. Kurva B-H[2,4]

Kurva B-H atau kurva magnetisasi adalah menggambarkan hubungan B dan H suatu material magnetik. Gambar 2.10 memperlihatkan suatu contoh kurva B-H dari feromanetik dan ferimagnetik.

Kerapatan fluks B dan kuat medan magnet H tidaklah selalu berbanding lurus dalam material feromagnetik dan ferimagnetik. Ada empat (4) bagian utama dari kurva B-H material seperti diilustrasikan dalam gambar 2.10.

Dalam bagian pertama, dengan asumsi material belum dimagnetisasi,

lekukan kurva naik tidak linier untuk harga H rendah. Pada bagian kedua, lekukan kurva naik linier (tidak selalu) untuk harga H sedang (medium). Pada bagian

ketiga, lekukan kurva turun untuk harga H tinggi. Pada bagian ketiga ini penurunan lekukan kurva membentuk pola seperti lutut kaki manusia (knee). Pada bagian keempat, lekukan kurva hampir rata untuk harga H sangat tinggi. Bagian keempat ini disebut daerah saturasi (jenuh). Dalam daerah ini, kerapatan fluks B tidak akan naik walau kuat medan H (arus I) naik terus. Material akan mengalami kejenuhan bilamana seluruh domain magnetik diarahkan dalam arah H.

Knee (lutut)

H B

Saturasi

H rendah H sedang H tinggi H sangat tinggi

Linier

Gambar 2.10. Pola Kurva B-H Feromagnetik dan Ferimagnetik[4]

Permeabilitas relatif μr material tidaklah konstan tetapi bergantung pada kuat medan magnet H. Permeabilitas relatif akan naik menuju maksimum dan kemudian akan turun menuju nol dengan kenaikan H lebih lanjut.

Reluktansi  material dipengaruhi permeabilitas relatif μr (persamaan 2.15). Oleh karena μr tidak konstan, maka  juga tidak kosntan. Pada daerah jenuh harga  akan sangat besar.

Beberapa material mempunyai tingkat saturasi berbeda. Sebagai contoh, campuran besi permeabilitas tinggi seperti yang digunakan dalam transformator mencapai kejenuhan magnetik pada 1,6-2,2 tesla. Sedangkan ferit jenuh pada 0,2-0,5 tesla. Berikut ini diperlihatkan kurva B-H beberapa material.

Gambar 2.12. Kurva B-H Beberapa Material[6]: 1. Baja lembar, 2. Baja silikon, 3. Baja tuang, 4. Baja tungsten, 5. Baja magnet, 6. Besi tuang, 7. Nikel, 8. Kobal, 9. Magnetit.

II.1.11. Material Inti Mesin Listrik[2,4]

Ada dua kelas material magnet yang digunakan dalam mesin listrik, yaitu : feromagnetik dan ferimagnetik. Feromagnetik dibagi menjadi material keras dan material lunak.

Material feromagnetik lunak meliputi : besi, nikel, kobal, baja lunak, atau campuran keempat elemen. Material feromagnetik keras meliputi : material magnet permanen seperti alniko, campuran kobal, baja kromium, baja karbon, baja silikon, campuran tembaga-nikel, dan campuran logam-logam lain.

Material ferimagnetik adalah ferit yang dibentuk dari oksida besi dengan formula MeOFe2O3 (Me adalah suatu ion logam). Seperti halnya feromagnetik, ferimagnetik juga terbagi atas material keras dan material lunak. Material ferimagnetik lunak meliputi : seng-nikel dan mangan-feri seng. Material ferimagnetik keras meliputi : barium dan ferit strontium.

II.2. Generator Sinkron Tiga Fasa

Generator sinkron masuk dalam kelompok generator arus bolak-balik (generator AC) dan biasa disebut alternator. Generator berfungsi mengubah energi mekanik dari penggerak mula melalui poros berputar menjadi energi listrik. Konversi energi mekanik menjadi energi listrik terjadi melalui medium medan magnet dalam generator.

Dua bagian utama generator adalah stator dan rotor. Rotor dipisahkan oleh celah udara dengan stator. Generator sinkron memiliki dua belitan utama, yaitu belitan jangkar dan belitan penguat (belitan medan atau belitan eksitasi). Belitan jangkar (belitan daya) adalah belitan dimana tegangan dibangkitkan. Belitan penguat berfungsi menghasilkan medan magnet bila dialiri arus searah. Pada umumnya belitan jangkar ditempatkan di stator dan belitan penguat ditempatkan di rotor.

Dalam generator sinkron, arus searah dicatu ke belitan penguat yang menghasilkan medan magnet rotor. Rotor diputar penggerak mula (turbin) menghasilkan suatu medan magnet berputar dalam mesin. Medan magnet berputar

memotong konduktor-konduktor jangkar dan menginduksikan tegangan dalam belitan jangkar stator.

II.2.1. Konstruksi Generator Sinkron[2,3,7]

Secara umum konstruksi dari suatu mesin sinkron terdiri dari stator dan rotor. Stator dibuat dari laminasi-laminasi material magnet. Laminasi- laminasi stator terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu : alur-alur (slots), gigi (teeth), dan gandar (yoke). Alur-alur berada sekeliling permukaan dalam untuk peletakan konduktor jangkar. Laminasi-laminasi stator terbuat dari material baja karbon seperti ASA 1020 atau baja silikon.

.

a) Bagian dalam stator

b) Laminasi stator

Rotor dari generator sinkron merupakan suatu magnet listrik besar. Kutub-kutub magnet pada rotor (bentuk penampang) dapat berbentuk sepatu (salient) atau silindris (cylindrical). Medan magnet dihasilkan suatu magnet permanen atau suatu inti dililiti kawat dan dialiri arus searah (magnet listrik). Seperti stator, rotor dibuat dari laminasi-laminasi material magnet. Laminasi-laminasi rotor terbuat dari material yang sama dengan stator. Gambar 2.14 memperlihatkan rotor silindris dua kutub dan empat kutub.

a) Dua kutub b) Empat kutub Gambar 2.14. Rotor Silindris[7]

Konstruksi rotor silindris digunakan dalam penerapan kecepatan tinggi,

dimana perbandingan diameter dengan panjang harus kecil untuk

mempertahankan tekanan mekanik dari gaya sentrifugal dalam batas-batas yang dapat diterima. Generator sinkron kutub silindris dengan dua atau empat kutub digunakan dalam PLTU atau PLTG untuk memenuhi kecepatan operasi yang tinggi dari turbin. Generator yang berputar pada kecepatan tinggi sering disebut generator turbo.

Konstruksi kutub sepatu mengacu ke bentuk kutub yang menonjol keluar. Jenis kutub ini digunakan untuk penerapan kecepatan rendah, dimana perbandingan diameter dengan panjang rotor dapat dibuat besar untuk mengakomodasi jumlah kutub banyak. Generator sinkron kutub sepatu sering

digunakan dalam PLTA untuk memenuhi kecepatan operasi yang rendah dari turbin air. Gambar 2.15. memperlihatkan rotor kutub sepatu dua kutub dan empat kutub.

a) Dua kutub b) Empat kutub Gambar 2.15. Rotor Kutub Sepatu[7]

II.2.2. Belitan Jangkar[2,3]

Ada dua tipe belitan jangkar yang umum digunakan dalam generator sinkron tiga fasa, yaitu : (i) belitan satu lapis dan (ii) belitan dua lapis

Dalam belitan satu lapis, setiap alur inti jangkar ditempati satu sisi kumparan. Belitan ini dipandang sebagai belitan konsentrik atau rantai (chain). Gambar 2.16 memperlihatkan suatu contoh belitan satu lapis generator sinkron tiga fasa, 4 kutub, 12 alur.

(a) (b)

Dalam belitan dua lapis, setiap alur inti jangkar ditempati dua sisi kumparan yang berbeda. Biasanya, jumlah alur stator adalah kelipatan perkalian jumlah kutub dan jumlah fasa. Sebagai contoh, generator 3 fasa, 4 kutub, jumlah alurnya yang mungkin adalah : 12, 24, 36, 48, dan seterusnya. Gambar 2.17 memperlihatkan suatu contoh belitan dua lapis generator sinkron tiga fasa, 4 kutub, 24 alur.

(a)

(b)

Gambar 2.17. Belitan Dua Lapis Generator Sinkron[2] (hanya diperlihatkan satu fasa)

II.2.3. Pembangkitan Tegangan[2,3,7]

Andaikan suatu generator sinkron dua kutub dan empat kutub, seperti diperlihatkan dalam 2.18.

Bila rotor dialiri arus searah dan diputar pada kecepatan N rpm, bentuk gelombang rapat fluks/fluks (B atau Φ) dalam generator diperlihatkan dalam gambar. Dari gambar 3.6(a) dapat dilihat, satu kali perputaran rotor (derajat mekanik) terbentuk satu gelombang sinus rapat fluks (derajat listrik). Sedangkan untuk empat kutub, satu kali perputaran rotor terbentuk dua gelombang sinus rapat fluks. Hubungan derajat mekanik dengan derajat listrik dinyatakan dengan :

P

e

m 2

2 4

2 _{ }



   

(2.27)

dengan : m  derajat mekanik,

_e  derajat listrik, P = jumlah kutub

Bentuk gelombang tegangan terbangkit/terinduksi dalam kumparan jangkar akan mengikuti bentuk gelombang fluks Φ. Dalam generator P kutub, satu siklus tegangan (satu gelombang sinus) dibangkitkan dalam masing-masing kumparan bila sepasang kutub (utara-selatan) melewati kumparan tersebut. Untuk satu kali perputaran rotor dengan kecepatan N rpm, ada P/2 gelombang tegangan dibangkitkan. Frekuensi tegangan terbangkit adalah :

60 2 N x P

f  , Hz (2.28) Atau : x f

P

N  2 60 , rpm (2.29) Andaikan fluks dinyatakan dengan :

Φ = Φm sin ωt (2.30) Tegangan terbangkit per fasa dinyatakan dengan :

e/fasa = - Nph  2  sin



900



 t f N dt d m

ph   (2.31)

eph = Em sin (ωt – 900) → Em = Nph.2.π.f.Φm (2.32) Harga efektip tegangan terbangkit/fasa :

E/fasa = 2 m

E

= 4,44.Nph.f.Φm (2.33) Dalam bentuk yang lebih umum :

E/fasa = 4,44 Kd Kp Nph f Φm (2.34) dengan : Kd = faktor distribusi belitan,

Kp = faktor kisar belitan,

f = frekuensi tegangan terbangkit, Hz, Nph = jumlah lilitan/fasa,

Φm = harga maksimum fluks, Wb. II.2.4. Kurva Magnetisasi Generator[2,4]

Kurva magnetisasi generator menyatakan hubungan antara tegangan

Persamaan (3.8) dapat ditulis menjadi :

E = CNФ (2.35)

dengan : C = 

120 . . . . 44 ,

4 K_d K_p N_ph P konstanta mesin

Generator biasanya beroperasi dengan putaran/frekuensi konstan. Bila generator diputar pada kecepatan sinkron konstan, tegangan terbangkit merupakan E merupakan fungsi fluks celah udara (air gap) Ф.

Persamaan (2.35) memperlihatkan hubungan tegangan terbangkit E dengan fluks magnet Ф linier. Fluks magnet Ф sebanding dengan arus penguat If (Ф  If). Tetapi dalam prakteknya, hubungan linier ini hanya dalam batas tertentu, tergantung kualitas bahan inti magnet yang digunakan. Pada harga tertentu fluks (arus eksitasi), inti magnet mulai jenuh (saturasi). Hubungan E dan If tidak linier lagi. Kurva E-If ekivalen dengan kurva B-H material magnet. Gambar 2.19 memperlihatkan satu contoh kurva magnetisasi generator.

II.2.5. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron[3,7]

Rangkaian ekivalen per fasa generator sinkron diperlihatkan dalam gambar 2.20 berikut.

Gambar 2.20. Rangakaian Ekivalen Per Fasa Generator Sinkron[3]

Berdasarkan gambar 2.20, persamaan tegangan generator adalah :

V E Ia



Ra  jXs



(2.36) = CNФ - I_a



R_a  jX_s



Dengan : V = tegangan terminal, E = tegangan terbangkit, Ia = arus jangkar,

Ra = tahanan belitan jangkar, Xs = reaktansi sinkron = Xar + Xl Xar = reaktansi reaksi jangkar, Xl = reaktansi bocor

Dalam prakteknya, generator sinkron beroperasi dengan tegangan terminal V konstan. Tegangan terminal V akan selalu berubah dengan perubahan beban. Untuk tegangan terminal V yang konstan, peubah yang bisa diatur adalah fluks magnet Ф atau arus penguat If. Dalam daerah saturasi (jenuh) tidak bisa dijaga konstan oleh karena fluks magnet Ф.

II.2.6. Karakteristik Daya-Sudut Daya[3,7]

Jika RA diabaikan (karena XS » RA), daya keluaran generator dapat dinyatakan dalam bentuk sudut daya γ. Daya kompleks S dinyatakan dengan : S 3.V.

 

Ia * (2.37) = 3.             90 0 . 0 S X V E V 

= 3 90 S

X V E

- 3 90

2

 S

X V

= 3 sin S

X V E

+



E V



X V j S   cos 3 (2.38)

= Pout + jQout

3 sin s out

X EV

P  (2.39)



E V



X V Q

s

out  cos  3

(2.40)

Persamaan (2.39) memperlihatkan bahwa, daya yang dihasilkan generator sinkron bergantung pada sudut γ antara E dan V. Sudut ini diketahui sebagai sudut daya atau sudut torka. Daya maksimum yang dapat disalurkan generator terjadi pada γ = 90o

. s maks X EV

P  3 (2.41)

Daya maksimum yang dinyatakan dengan persamaan (3.15) disebut batas stabilitas statik. Dalam prakteknya, generator tidak akan dioperasikan mendekati batas ini. Dengan mengasumsikan, daya keluaran Pout sama dengan daya yang dirubah Pcon, torka yang diinduksikan dalam generator dapat dinyatakan dengan :

 

 3 sin

s m ind

X EV

Untuk generator yang bekerja paralel dengan infinite bus, fluks magnet atau arus penguat berfungsi sebagai kontrol daya reaktif Q. Persamaan (2.40) menjelaskan kontrol daya reaktif Q. Kejenuhan inti magnet generator akan mempengaruhi sudut daya dan kontrol daya reaktif generator sinkron.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Dalam tugas akhir ini metodologi yang digunakan untuk menentukan titik jenuh bahan inti suatu generator adalah dengan eksperimen (percobaan). Percobaan dilakukan di PT. MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA menggunakan Epstein Frame Test.

III.1. Epstein Frame Test[8,9,10]

Epstein Frame adalah suatu peralatan pengukuran standard untuk menguji/mengukur sifat-sifat magnetik dari material-material magnet generator dan transformator, khususnya baja listrik. Sifat-sifat magnet yang diuji/diukur dapat dipengaruhi besaran listrik bolak-balik (transformator) dan besaran listrik searah (generator). Material yang akan diuji dipersiapkan sebagai himpunan sejumlah potongan yang dipotong dari material uji.

Material inti generator sinkron yang akan diuji adalah baja silikon HI-B Grade. Baja silikon digunakan luas sebagai material inti magnet pada mesin-mesin listrik dan transformator. Jumlah sampel pengujian adalah 18 dengan ketebalan 0,27 mm dan ukuran (3x28) cm.

III.2. Baja Silikon[11,12,13]

Baja adalah logam paduan, logam besi sebagai unsur dasar dengan beberapa elemen lainnya, termasuk karbon. Kandungan unsur karbon dalam baja berkisar antara 0.2% hingga 2.1% berat sesuai grade-nya. Dengan memvariasikan kandungan karbon dan unsur paduan lainnya (misal silikon), berbagai jenis kualitas baja bisa didapatkan.

Silikon mempunyai sifat elastis/keuletan tinggi. Silikon juga menambah kekerasan dan ketajaman pada baja. Tapi penambahan silikon yang berlebihan akan menyebabkan baja tersebut mudah retak. Silikon berupa massa hitam mirip logam yang meleleh pada 1410°C . Unsur ini mempunyai kecenderungan yang kuat untuk berikatan dengan oksigen dan sifat seratnya tahan api.

Campuran baja dengan silikon sering disebut baja listrik atau baja laminasi. Material biasanya dibuat dalam potongan/lempengan cold-rolled dengan ketebalan kecil dari 2 mm. Lempengan ini disebut laminasi, dimana laminasi-laminasi membentuk suatu inti transformator, rotor, atau stator mesin listrik. Tujuan pencampuran silikon dengan baja adalah untuk memperoleh loop

hysteresis kecil dan permeabilitas tinggi.

Kandungan silikon dalam baja berkisar nol sampai 6,5% (Si5Fe). Baja silikon komersil bisa mempunyai kandungan silikon sampai 3,2%. Baja silikon dibuat terbagi atas baja non-oriented dengan kandungan silikon antara 2 sampai 3,5% dan biasa disebut CRNGO dan grain-oriented dengan kandungan silikon sampai 3,5% dan biasa disebut CRGO.

III.3. Pengujian Bahan Inti Generator Sinkron[14]

Pengujian di PT.MORAWA ELECTRIC TRANSBUANA dilakukan menggunakan Epstein Frame Test tipe 3265. Dengan mengkombinasikan dengan alat ukur lain, memungkinkan melakukan pengujian rugi inti pada frekuensi komersil dan karakteristik magnetisasi bolak-balik dan searah pada frekuensi komersil.

Bahan inti yang diuji adalah silikon HI-B Grade dengan ketebalan 30 mm dan panjang 280 cm sampai 320 cm. Material uji disusun seperti dalam gambar berikut.

Gambar 3.2. Susunan Bahan Uji

Besar tegangan terbangkit generator sinkron bergantung besar fluks magnet Ф (kerapatan fluks magnet B). Fluks megnet dihasilkan dari suatu arus searah (intensitas medan magnet H). Untuk menentukan titik kejenuhan bahan uji (karakteristik magnetisasi searah), ekivalen dengan mencari hubungan besaran H dan B. Oleh sebab itu pengujian harus dilakukan dengan besaran searah.

Rangkaian pengujian diperlihatkan dalam gambar berikut:

Gambar 3.3. Rangkaian Pengujian Karakteristik Magnetisasi Searah[14]

Kerapatan fluks magnet dalam arus searah B ditentukan dengan Epstein frame EP. Material uji dipengaruhi medan magnet searah H melalui belitan primer. Kerapatan fluks magnet diukur dengan fluxmeter F yang terhubung ke terminal belitan sekunder.

Dengan : B = kerapatan fluks H = kuat medan magnet

μ = konstanta permeabilitas magnet.

Gambar 2.6. Medan Magnet Dihasilkan Koil Dialiri Arus[5]

Gambar 2.7. Skematik Inti Besi Dengan Suatu Koil[5]

Kerapatan fluks maksimum B akan ada pada pusat koil yang dinyatakan dengan persamaan :

2 2

4r l NI B



  (2.2)

2 2

4r l NI B

 

Dengan : N = jumlah lilitan,

I = arus mengalir melalui koil, r = radius efektif koil,

l = panjang koil

Kombinasi persamaan (2.1) dan (2.3) memberi hasil :

2 2

4r l

NI H



 (2.4)

II.1.6. Permeabilitas Magnetik Dan Magnetisasi[5]

Permeabilitas magnetik μ adalah sifat suatu spesifik medium dimana kuat medan magnet H lewat dan dimana kerapatan fluks magnet B diukur. Dimensinya adalah webers per ampere-meter (Wb/A-m) atau henri per meter (H/m).

Kuat medan magnet H adalah besar gaya magnetisasi yang berbanding terbalik dengan panjang koil dan berbanding lurus dengan besar arus mengalir melalui koil. Berdasarkan hukum Ampere, integral garis H sekeliling lintasan tertutup sama dengan besar arus yang dilingkupi lintasan. Atau dalam bentuk persamaan :



H.dL I = F (2.5)

Dengan F adalah adalah gaya gerak magnet (mmf) yang sama dengan arus yang dilingkupi.

Jika integrasi persamaan (2.5) terdiri dari sejumlah kawat N lilit dengan arus dalam arah sama, persamaan (2.5) dapat ditulis menjadi :



H.dL F  NI (2.6) Jika medan magnet dibangkitkan oleh suatu koil silindris, maka :

L NI

H  (2.7)

Kerapatan fluks magnet B menggambarkan besar kuat medan internal yang dipengaruhi oleh H. Dalam ruang hampa (vakum) :

B ₀H (2.8) Dengan : ₀ = permeabilitas ruang hampa = 4π x 10-7≈ 1,257 x 10-6 T.m/A.

Jika ada material lain selain ruang hampa, persamaan (2.8) akan menjadi : Br0H H (2.9)

μr adalah permeabilitas relatif (tanpa satuan) material yang digunakan mengukur derajat material dapat dimagnetisasi.

0

 

r  (2.10)

Magnetisasi M adalah suatu sifat material yang menggambarkan kerapatan fluks magnet yang tersisa (residu) dalam material dan dinyatakan dengan :

B₀H₀M (2.11)

Dimana M adalah magnetisasi material (momen magnet per unit volume, A.m2/kg atau Wb.m/kg).

Pada umumnya, suatu material menjadi magnet sebagai respon terhadap medan luar H dan dapat diukur melalui suseptibilitas dan permeabilitas. Oleh sebab itu M dapat dinyatakan dengan :

M _mH (2.12)

Dimana _m adalah suseptibilitas magnetik (tanpa satuan). Suseptibilitas magnetik adalah derajat magnetisasi suatu material sebagai respon terhadap medan luar. Permeabilitas relatif dan suseptibilitas magnetik dihubungkan dengan persamaan : _r 1 (2.13)

II.1.7. Jenis-Jenis Magnetisasi[4,5]

Material dapat diklasifikasikan berdasarkan responnya terhadap medan magnet luar yang terpasang. Berdasarkan ini material diklasifikasikan menjadi :

diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, ferimagnetik, dan anti feromagnetik. Diamagnetik adalah bentuk magnetisasi paling lemah. Magnetisasi hanya ada selama medan luar digunakan pada material. Permeabilitas relatif kecil dari satu, dan suseptibilitas magnetik adal negatif. Besar kerapatan fluks B dalam material diamagnetik solid lebih kecil dari B ruang hampa. Contoh material ini adalah : tembaga, perak, emas, dan alumina.

Dalam material paramagnetik seperti aluminium dan titanium, setiap atom membentuk suatu momen dipol permanen yang akan menghasilkan momen magnetik walau tidak ada medan luar. Dengan tidak adanya medan luar, orientasi momen magnetik atom adalah acak (random). Tetapi, bila medan luar dipasang, momen magnetik mengalami suatu torka yang meluruskannya dengan arah medan.

Tabel 2.1. Berbagai Jenis Sifat Magnetisasi[5]

Jenis Magnetisasi Sifat Magnetisasi Suseptibilitas Magnetik Contoh Material Diamagnetik Paramagnetik Feromagnetik Anti Feromagnetik Ferimagnetik Tembaga, perak, emas, alumina Aluminium, titanium, campuran tembaga

Besi, nikel, kobal

Manganese, kromium, MnO, NiO

Ferit Kecil dan negatif

Kecil dan positif

Kecil dan positif Sangat besar dan positif

Besar dan positif

Material feromagnetik seperti besi, nikel, dan kobal dianggap subtansi magnetik yang paling penting. Seluruh dipol magnet dalam domain diarahklan

paralel satu sama lain. Permeabilitas magnetiknya sangat besar dan mampu mempertahankan momen magnetik permanen walau medan luar tidak ada. Jika momen magnetik dari atom berdekatan diarahkan dalam arah anti paralel satu sama lain, material dikatakan anti feromagnetik. Jika momen magnetik tidak sama dan diarahkan berlawanan satu sama lain, momen magnetik sama dengan nol. Material dikatakan ferimagnetik.

II.1.8. Jenis-Jenis Material Magnet[4,5,6] II.1.8.1. Material Magnetik Keras

Magnet keras (hard magnet) dipandang sebagai magnet permanen, material yang saturasi secara magnet. Salah satu faktor yang penting dalam magnet permanen adalah remanensi magnetik material.

Penomena ini terjadi bila medan magnet yang ada dipindahkan dan sebagian magnetisasi jenuh masih ada. Pada tingkat tertentu diperlukan energi untuk memaksa domain kembali ke kondisi semula. Normalnya, material magnetik keras digunakan untuk menghasilkan magnet permanen.

II.1.8.2. Material Magnetik Lunak

Material magnetik lunak (soft) hanya memerlukan sedikit medan magnet untuk membuatnya menjadi magnet. Material ini mempunyai koersivitas rendah dan sekali medan magnetnya hilang, kerapatan fluks akan menjadi nol. Rangkaian arus bolak-balik atau searah dapat digunakan untuk membangkitkan medan magnet atau menghasilkan suatu gaya.

Permeabilitas merupakan pertimbangan utama untuk pemilihan material untuk penerapan dalam arus searah. Dimana saturasi dapat menjadi sangat nyata. Untuk penerapan dalam arus bolak-balik, rugi energi akan menjadi pertimbangan utama. Rugi energi dapat berasal dari tiga sumber berbeda, yaitu : rugi histeresis, rugi arus eddy, rugi anomalus (rugi magnetik dalam material lunak).

Gambar 2.7. Kurva Magnetisasi[6]

II.1.9. Rangkaian Magnetik[5]

Rangkaian magnetik adalah suatu lintasan tertutup suatu fluks magnetik. Pada umumnya, lintasan ini dibentuk elemen magnetik seperti magnet permanen, material feromagnetik, dan magnet listrik. Dasarnya, rangkaian magnetik bisa membentuk rankaian paralel dan seri.

Gambar 2.8. Contoh Rangkaian magnetik[5]: (a) Seri; (b) paralel.

Jika  adalah fluks magnet, F adalah gaya gerak magnet yang ada dalam rangkaian, dan  adalah reluktansi rangkaian, maka



 F

 (2.14)

Persamaan (2.14) analog dengan hukum Ohm dalam rangkaian listrik. , F, dan

 analog dengan I, V, dan R dalam rangkaian listrik. Ini berarti  dapat ditulis sebagai : A l  

 (2.15) Dimana : A = luas penampang lintasan fluks, m2

 = permeabilitas material, H/m l = panjang lintasan magnetik, m

Reluktansi rangkaian magnetik berbanding lurus dengan panjang lintasan magnetik dan berbanding terbalik dengan luas penampang. Persamaan (2.15) analog dengan persamaan tahanan listrik R.

Dalam rangkaian tanpa sela (gapless) seperti gambar 2.8, NI yang diperlukan untuk menghasilkan kerapatan fluks B tertentu dapat dihitung dari persamaan

NI = Hl (2.16)

Harga H yang sesuai dapat diambil dari kurva B-H material inti yang digunakan. Selanjutnya B dihitung dari persamaan :

r NI l NI B    2 

 (2.17)

Dalam sebagian rangkaian magnetik khususnya yang memiliki celah udara, ada kecenderungan fluks keluar lintasan (fluks bocor) atau menyebar dalam celah udara. Fluks bocor tidak efektif dan diperlukan F lebih besar untuk mengkompensasinya. Penyebaran fluks dalam celah udara disebut fringing leakage. Jika celah udara lebar, penyebaran fluks juga akan lebih lebar. Ini akan mengurangi kerapatan fluks B dalam celah udara.

Gambar 2.9. Rangkaian Magnetik Dengan Celah Udara[5]

Celah udara sangat umum digunakan dalam peralatan magnetik seperti mesin berputar dan mempengaruhi karakteristik inti. Dalam rancangan mesin dengan celah udara, diinginkan mempunyai celah lebih kecil dari jarak mekanikal. Panjang inti bukanlah faktor yang utama.

Kuat medan magnet dalam celah udara Hg dan inti besi Hc dinyatakan dengan :

0



B

H_g  (2.18) 0  r c B

H  (2.19) Berdasarkan hukum Ampere, gaya gerak magnet F dinyatakan dengan : F  NI 



H.dl (2.20) Jika fluks bocor diabaikan, B dan H dalam inti besi akan konstan. Atau :

F  NI 



H.dl = Hironliron + Hgaplgap =

0 0    gap r iron Bl Bl

 (2.21) Kerapatan energi w yang tersimpan dalam medan magnet dinyatakan dengan :



2

2 1 B

w (2.22)

Asumsikan celah udara kecil dan medan dalam celah udara seragam, maka energi total Wm yang tersimpan dalam celah udara dinyatakan dengan :

0 2 2 Ag B

Dengan : A = luas celah udara, m2 g = lebar celah udara, m

Jika inti besi fleksibel, sehingga celah udara harus tetap terbuka dengan suatu gaya F. Jika gaya naik, celah udara akan naik sebesar Δg, pada waktu sama arus dalam koil diperbesar untuk mempertahankan kerapatan fluks B konstan dalam rangkaian magnetik, maka energi tersimpan naik sebesar

W_m  B Ag 0 2

2 (2.24) Energi dapat dinyatakan sebagai perkalian gaya dengan jarak :

W_m  Fg (2.25) Dari persamaan (2.24) dan (2.25) diperoleh

0 2 2 A B

F  (2.26) F adalah gaya yang diperlukan menjaga kutub-kutub terpisah satu sama lain.

II.1.10. Kurva B-H[2,4]

Kurva B-H atau kurva magnetisasi adalah menggambarkan hubungan B dan H suatu material magnetik. Gambar 2.10 memperlihatkan suatu contoh kurva B-H dari feromanetik dan ferimagnetik.

Kerapatan fluks B dan kuat medan magnet H tidaklah selalu berbanding lurus dalam material feromagnetik dan ferimagnetik. Ada empat (4) bagian utama dari kurva B-H material seperti diilustrasikan dalam gambar 2.10.

Dalam bagian pertama, dengan asumsi material belum dimagnetisasi,

lekukan kurva naik tidak linier untuk harga H rendah. Pada bagian kedua, lekukan kurva naik linier (tidak selalu) untuk harga H sedang (medium). Pada bagian

ketiga, lekukan kurva turun untuk harga H tinggi. Pada bagian ketiga ini penurunan lekukan kurva membentuk pola seperti lutut kaki manusia (knee). Pada bagian keempat, lekukan kurva hampir rata untuk harga H sangat tinggi. Bagian keempat ini disebut daerah saturasi (jenuh). Dalam daerah ini, kerapatan fluks B tidak akan naik walau kuat medan H (arus I) naik terus. Material akan mengalami kejenuhan bilamana seluruh domain magnetik diarahkan dalam arah H.

Knee (lutut)

H B

Saturasi

H rendah H sedang H tinggi H sangat tinggi

Linier

Gambar 2.10. Pola Kurva B-H Feromagnetik dan Ferimagnetik[4]

Permeabilitas relatif μr material tidaklah konstan tetapi bergantung pada kuat medan magnet H. Permeabilitas relatif akan naik menuju maksimum dan kemudian akan turun menuju nol dengan kenaikan H lebih lanjut.

Reluktansi  material dipengaruhi permeabilitas relatif μr (persamaan 2.15). Oleh karena μr tidak konstan, maka  juga tidak kosntan. Pada daerah jenuh harga  akan sangat besar.

Beberapa material mempunyai tingkat saturasi berbeda. Sebagai contoh, campuran besi permeabilitas tinggi seperti yang digunakan dalam transformator mencapai kejenuhan magnetik pada 1,6-2,2 tesla. Sedangkan ferit jenuh pada 0,2-0,5 tesla. Berikut ini diperlihatkan kurva B-H beberapa material.

Gambar 2.12. Kurva B-H Beberapa Material[6]: 1. Baja lembar, 2. Baja silikon, 3. Baja tuang, 4. Baja tungsten, 5. Baja magnet, 6. Besi tuang, 7. Nikel, 8. Kobal, 9. Magnetit.

II.1.11. Material Inti Mesin Listrik[2,4]

Ada dua kelas material magnet yang digunakan dalam mesin listrik, yaitu : feromagnetik dan ferimagnetik. Feromagnetik dibagi menjadi material keras dan material lunak.

Material feromagnetik lunak meliputi : besi, nikel, kobal, baja lunak, atau campuran keempat elemen. Material feromagnetik keras meliputi : material magnet permanen seperti alniko, campuran kobal, baja kromium, baja karbon, baja silikon, campuran tembaga-nikel, dan campuran logam-logam lain.

Material ferimagnetik adalah ferit yang dibentuk dari oksida besi dengan formula MeOFe2O3 (Me adalah suatu ion logam). Seperti halnya feromagnetik, ferimagnetik juga terbagi atas material keras dan material lunak. Material ferimagnetik lunak meliputi : seng-nikel dan mangan-feri seng. Material ferimagnetik keras meliputi : barium dan ferit strontium.

II.2. Generator Sinkron Tiga Fasa

Generator sinkron masuk dalam kelompok generator arus bolak-balik (generator AC) dan biasa disebut alternator. Generator berfungsi mengubah energi mekanik dari penggerak mula melalui poros berputar menjadi energi listrik. Konversi energi mekanik menjadi energi listrik terjadi melalui medium medan magnet dalam generator.

Dua bagian utama generator adalah stator dan rotor. Rotor dipisahkan oleh celah udara dengan stator. Generator sinkron memiliki dua belitan utama, yaitu belitan jangkar dan belitan penguat (belitan medan atau belitan eksitasi). Belitan jangkar (belitan daya) adalah belitan dimana tegangan dibangkitkan. Belitan penguat berfungsi menghasilkan medan magnet bila dialiri arus searah. Pada umumnya belitan jangkar ditempatkan di stator dan belitan penguat ditempatkan di rotor.

Dalam generator sinkron, arus searah dicatu ke belitan penguat yang menghasilkan medan magnet rotor. Rotor diputar penggerak mula (turbin) menghasilkan suatu medan magnet berputar dalam mesin. Medan magnet berputar

memotong konduktor-konduktor jangkar dan menginduksikan tegangan dalam belitan jangkar stator.

II.2.1. Konstruksi Generator Sinkron[2,3,7]

Secara umum konstruksi dari suatu mesin sinkron terdiri dari stator dan rotor. Stator dibuat dari laminasi-laminasi material magnet. Laminasi- laminasi stator terdiri dari tiga bagian dasar, yaitu : alur-alur (slots), gigi (teeth), dan gandar (yoke). Alur-alur berada sekeliling permukaan dalam untuk peletakan konduktor jangkar. Laminasi-laminasi stator terbuat dari material baja karbon seperti ASA 1020 atau baja silikon.

.

a) Bagian dalam stator

b) Laminasi stator

Rotor dari generator sinkron merupakan suatu magnet listrik besar. Kutub-kutub magnet pada rotor (bentuk penampang) dapat berbentuk sepatu (salient) atau silindris (cylindrical). Medan magnet dihasilkan suatu magnet permanen atau suatu inti dililiti kawat dan dialiri arus searah (magnet listrik). Seperti stator, rotor dibuat dari laminasi-laminasi material magnet. Laminasi-laminasi rotor terbuat dari material yang sama dengan stator. Gambar 2.14 memperlihatkan rotor silindris dua kutub dan empat kutub.

a) Dua kutub b) Empat kutub Gambar 2.14. Rotor Silindris[7]

Konstruksi rotor silindris digunakan dalam penerapan kecepatan tinggi,

dimana perbandingan diameter dengan panjang harus kecil untuk

mempertahankan tekanan mekanik dari gaya sentrifugal dalam batas-batas yang dapat diterima. Generator sinkron kutub silindris dengan dua atau empat kutub digunakan dalam PLTU atau PLTG untuk memenuhi kecepatan operasi yang tinggi dari turbin. Generator yang berputar pada kecepatan tinggi sering disebut generator turbo.

Konstruksi kutub sepatu mengacu ke bentuk kutub yang menonjol keluar. Jenis kutub ini digunakan untuk penerapan kecepatan rendah, dimana perbandingan diameter dengan panjang rotor dapat dibuat besar untuk mengakomodasi jumlah kutub banyak. Generator sinkron kutub sepatu sering

digunakan dalam PLTA untuk memenuhi kecepatan operasi yang rendah dari turbin air. Gambar 2.15. memperlihatkan rotor kutub sepatu dua kutub dan empat kutub.

a) Dua kutub b) Empat kutub Gambar 2.15. Rotor Kutub Sepatu[7]

II.2.2. Belitan Jangkar[2,3]

Ada dua tipe belitan jangkar yang umum digunakan dalam generator sinkron tiga fasa, yaitu : (i) belitan satu lapis dan (ii) belitan dua lapis

Dalam belitan satu lapis, setiap alur inti jangkar ditempati satu sisi kumparan. Belitan ini dipandang sebagai belitan konsentrik atau rantai (chain). Gambar 2.16 memperlihatkan suatu contoh belitan satu lapis generator sinkron tiga fasa, 4 kutub, 12 alur.

(a) (b)

Dalam belitan dua lapis, setiap alur inti jangkar ditempati dua sisi kumparan yang berbeda. Biasanya, jumlah alur stator adalah kelipatan perkalian jumlah kutub dan jumlah fasa. Sebagai contoh, generator 3 fasa, 4 kutub, jumlah alurnya yang mungkin adalah : 12, 24, 36, 48, dan seterusnya. Gambar 2.17 memperlihatkan suatu contoh belitan dua lapis generator sinkron tiga fasa, 4 kutub, 24 alur.

(a)

(b)

Gambar 2.17. Belitan Dua Lapis Generator Sinkron[2] (hanya diperlihatkan satu fasa)

II.2.3. Pembangkitan Tegangan[2,3,7]

Andaikan suatu generator sinkron dua kutub dan empat kutub, seperti diperlihatkan dalam 2.18.

Bila rotor dialiri arus searah dan diputar pada kecepatan N rpm, bentuk gelombang rapat fluks/fluks (B atau Φ) dalam generator diperlihatkan dalam gambar. Dari gambar 3.6(a) dapat dilihat, satu kali perputaran rotor (derajat mekanik) terbentuk satu gelombang sinus rapat fluks (derajat listrik). Sedangkan untuk empat kutub, satu kali perputaran rotor terbentuk dua gelombang sinus rapat fluks. Hubungan derajat mekanik dengan derajat listrik dinyatakan dengan :

P

e

m 2

2 4

2 _{ }



   

(2.27)

dengan : m  derajat mekanik,

_e  derajat listrik, P = jumlah kutub

Bentuk gelombang tegangan terbangkit/terinduksi dalam kumparan jangkar akan mengikuti bentuk gelombang fluks Φ. Dalam generator P kutub, satu siklus tegangan (satu gelombang sinus) dibangkitkan dalam masing-masing kumparan bila sepasang kutub (utara-selatan) melewati kumparan tersebut. Untuk satu kali perputaran rotor dengan kecepatan N rpm, ada P/2 gelombang tegangan dibangkitkan. Frekuensi tegangan terbangkit adalah :

60 2 N x P

f  , Hz (2.28) Atau : x f

P

N  2 60 , rpm (2.29) Andaikan fluks dinyatakan dengan :

Φ = Φm sin ωt (2.30) Tegangan terbangkit per fasa dinyatakan dengan :

e/fasa = - Nph  2  sin



900



 t f N dt d m

ph   (2.31)

eph = Em sin (ωt – 900) → Em = Nph.2.π.f.Φm (2.32) Harga efektip tegangan terbangkit/fasa :

E/fasa = 2 m

E

= 4,44.Nph.f.Φm (2.33) Dalam bentuk yang lebih umum :

E/fasa = 4,44 Kd Kp Nph f Φm (2.34) dengan : Kd = faktor distribusi belitan,

Kp = faktor kisar belitan,

f = frekuensi tegangan terbangkit, Hz, Nph = jumlah lilitan/fasa,

Φm = harga maksimum fluks, Wb. II.2.4. Kurva Magnetisasi Generator[2,4]

Kurva magnetisasi generator menyatakan hubungan antara tegangan

Persamaan (3.8) dapat ditulis menjadi :

E = CNФ (2.35)

dengan : C = 

120 . . . . 44 ,

4 K_d K_p N_ph P konstanta mesin

Generator biasanya beroperasi dengan putaran/frekuensi konstan. Bila generator diputar pada kecepatan sinkron konstan, tegangan terbangkit merupakan E merupakan fungsi fluks celah udara (air gap) Ф.

Persamaan (2.35) memperlihatkan hubungan tegangan terbangkit E dengan fluks magnet Ф linier. Fluks magnet Ф sebanding dengan arus penguat If (Ф  If). Tetapi dalam prakteknya, hubungan linier ini hanya dalam batas tertentu, tergantung kualitas bahan inti magnet yang digunakan. Pada harga tertentu fluks (arus eksitasi), inti magnet mulai jenuh (saturasi). Hubungan E dan If tidak linier lagi. Kurva E-If ekivalen dengan kurva B-H material magnet. Gambar 2.19 memperlihatkan satu contoh kurva magnetisasi generator.

37 Material uji mulai jenuh pada harga B = 244,3 Tesla. Dalam daerah ini kenaikan B sangat kecil untuk kenaikan arus yang besar.

Dari hasil pengujian, material akan jenuh pada B = 288,6 Tesla. Pada daerah jenuh (saturasi), kenaikan H tidak membuat B berubah (naik).

Dari gambar 4.1 dapat diketahui titik kerja generator. Titik kerja generator akan berada sedikit diluar daerah lutut (knee) atau sedikit di atas B = 278,2 Tesla.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN V.1. Kesimpulan

Berdasarkan data pengukuran dan analisa dapat disimpulkan:

1. Sangatlah perlu memperhitungkan kejenuhan inti magnet suatu generator sinkron. Perlu diketahui daerah linier, knee, dan titik dimana suatu inti magnet generator mulai jenuh. Ini disebabkan, operasi generator pada daerah jenuh mempengaruhi kinerja generator.

2. Titik jenuh inti magnet yang digunakan tergantung jenis material magnet yang digunakan.

3. Pada pengujian inti magnet dengan material baja silikon diperoleh hasil, daerah linier berada antara B = 0 sampai B = 244,3 Tesla, daerah knee berada antara B = 244,3 Tesla sampai B = 278,2 Tesla. Mulai B = 278,2 Tesla, material baja silikon yang diuji mulai mengalami kejenuhan sampai benar-benar jenuh pada B = 288,6 Tesla.

V.2. Saran

Untuk memperoleh perbandingan titik kejenuhan, disarankan melakukan pengujian dengan jenis material-material inti magnet lain. Dengan melakukan pengujian berbagai material inti magnet akan diketahui bahan inti yang cepat mengalami kejenuhan dan lambat mengalami kejenuhan.

39 DAFTAR PUSTAKA

[1] Filho, R.E, Liszt Nunes, F. 2002. Synchronous Machines Field Current Calculation Taking Into Account The Magnetic Saturation. Campinas University, Brasil.

[2] Chapman Stephen, J. 1999. Electric Machinery Fundamentals. McGraw-Hill Book Company.

[3] Hubert, C. 1991. Electric Machines Apparatus. Macmillian Publishing Company.

[4] A. Nasar Syed. 1987. HANDBOOK OF ELECTRIC MACHINES. McGraw-Hill Book Company.

[5] Nasser, B.E., 2009. An Investigation Of Electromagnetic Rig-Generated Strong Magnetic Fields. Faculty Of Engineering And Computing, Dublin City University.

[6] Alliance LLC. Magnet Guide & Tutorial.

[7] Ernest Mendrela. 2003. Electric Power, Generation Of Electrical Energy. EE 3410.

[8] I. Daut, M. Asri, M. Fayzul. 2009. Power Losses On Grain Oriented And Non-Grain Oriented Materials Using Epstein Test For Electrical Machine Design. International Conference : Electrical Energy And Industrial Electronic System, Penang, Malaysia.

[9] Standardzation Officers Of The European Communities Member State. Methods For Determining The Magnetic Properties Of Magnetic Steel Sheet And Strip With 25 cm Epstein Frame.

[10] Tsakani L.M, Pragasen Pillay, Reinhold M.W. Stmat. 2007. New Epstein Frame For Lamination Core Loss Measurement Under High Frequencies

And High Flux Densities. IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 22, No.

[11] JFE. 2009. Electrical Steel Sheets.

[12] J. McFarlane. Silicon Steel Sheets An Outline Of Properties, Applications And Recent Development. Symposium On Production, Properties & Applications Of Steels.

[13] Shcherbakov, P, Bogdanov, I. 2004. Magnetic Properties of Silicon Electrical Stell And Its Application In Fast Cycling Superconducting Magnet At Low Temperature. Institute for High Energy Physics, Moscow.

[14] Yokogawa, Epstein Frame Test ttype 3265-8.

[15] Zarko, D, Maljkvic, Z. 2008. Estimating Magnetic Properties of Synchronous Generator Material.

41 LAMPIRAN