Konstruksi Generator Sinkron Analisis Pengaruh Konfigurasi Belitan Terhadap Tegangan Harmonisa Generator Sinkron Tanpa Beban Dengan Program Simulasi Multisim

6 2.1 BAB II GENERATOR SINKRON

2.1 Umum

Mesin sinkron merupakan mesin listrik yang kecepatan putar rotornya N R sama sinkron dengan kecepatan medan putar stator N S , dimana: Dimana: N S = Kecepatan medan putar rpm f = Frekuensi listrik Hz P = Jumlah kutub Generator sinkron disebut juga alternator adalah mesin sinkron yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik bolak-balik ac. Generator sinkron merupakan mesin konversi energi terbesar. Lebih dari 90 energi listrik di dunia dihasilkan oleh alternator. Generator sinkron bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang terdiri dari stator bagian yang diam dan rotor bagian yang bergerak atau berputar. Energi mekanis diperoleh dari penggerak mula yang memutar rotor, sedangkan energi listrik diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan-kumparan stator.

2.2 Konstruksi Generator Sinkron

Generator sinkron secara mendasar terdiri dari stator, rotor, dan celah udara. Pada generator sinkron, kumparan jangkar dapat terletak pada stator maupun rotor. Pada umumnya kumparan medan terletak pada rotor dan kumparan jangkar terletak pada stator. Semua alternator di atas 5 kVA menggunakan susunan ini. Kumparan medan berfungsi untuk menghasilkan medan magnet, sedangkan kumparan jangkar berfungsi untuk menghasilkan GGL induksi. Peletakan kumparan medan pada rotor Universitas Sumatera Utara 7 dan kumparan jangkar pada stator ini memiliki keunggulan tersendiri terhadap peletakan kumparan medan pada stator dan kumparan jangkar pada rotor, yaitu: 1. Lebih mudah untuk mengisolasi kumparan jangkar yang terletak di stator pada generator tegangan tinggi. Hal ini dikarenakan kumparan jangkar tidak mengalami gaya sentrifugal dan juga karena tersedianya ruangan yang lebih banyak bagi kumparan jangkar apabila terletak pada stator. 2. Kumparan jangkar dapat dihubungkan ke beban tanpa menggunakan sikat dan slip ring. 3. Pendinginan kumparan jangkar lebih mudah dilakukan dan lebih efektif sehingga memungkinkan pembuatan generator dengan daya yang lebih besar. 4. Susunan ini hanya membutuhkan dua buah slip ring pada rotor untuk mengalirkan arus dc. Apabila kumparan jangkar terletak pada rotor, maka diperlukan minimal 3 buah slip ring 4 buah jika diperlukan penghantar netral. 5. Karena arus medan jauh lebih kecil daripada arus jangkar, maka dengan penempatan kumparan medan di rotor, dapat menghemat konstruksi slip ring dan sikat. 6. Daya yang dihasilkan lebih besar untuk ukuran mesin yang sama. 7. Memungkinkan penggunaan konduktor jangkar yang lebih tebal dalam tujuan mengurangi rugi-rugi daya karena lubang slot pada stator dapat dibuat lebih dalam daripada rotor. 8. Kumparan medan lebih ringan daripada kumparan jangkar. Jadi dengan penempatan kumparan medan pada rotor, gaya sentrifugal yang dialami rotor tidak terlalu besar sehingga memungkinkan rotor berputar pada kecepatan yang lebih tinggi. ¾ Stator Stator merupakan bagian yang diam yang terdiri dari bagian luar rangka stator dan bagian dalam. Rangka stator terbuat dari besi tuang dan merupakan rumah dari semua bagian generator. Rangka luar stator harus tahan terhadap Universitas Sumatera Utara 8 getaran selama mesin itu bekerja maupun terhadap stres mekanik seperti pada saat terjadi hubung singkat. Bagian dalam stator dibuat dari kumpulan laminasi lembaran baja dengan permeabilitas yang tinggi dan mempunyai banyak slot yang mengelilingi pinggiran dalamnya gambar 2.1. Laminasi ini diisolasi satu sama lain. Jumlah slot tergantung pada ukuran mesin, jumlah kutub, dan jumlah kumparan per kutub per fasa kumparankutubfasa. Istilah kumparankutubfasa akan ini akan dibahas lebih lanjut pada subbab 2.6. Bagian dalam stator dirancang berbentuk lembaran untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar eddy current. Kumpulan laminasi ini disatukan untuk membentuk bagian yang padu melalui baut dan disatukan dengan rangka stator melalui pengelasan ataupun dengan ikatan yang kuat pada beberapa mesin berukuran kecil. Kumparan jangkar diletakkan di dalam slot seperti terlihat pada gambar 2.2. Gambar 2.3 memperlihatkan rangka stator beserta seluruh kumparan jangkarnya. Kumparan jangkar pada generator sinkron 3 fasa dapat terhubung secara delta ∆ ataupun bintang Y. Gambar 2.1 Laminasi Stator Gambar 2.2 Beberapa Kumparan Dalam Slot Universitas Sumatera Utara 9 Slot pada stator dapat dibagi menjadi 3 jenis, yaitu: slot terbuka open slot, slot setengah tertutup Semiclosed slot, dan slot tertutup closed slot. • Slot Terbuka Slot terbuka diperlihatkan pada gambar 2.4. Keuntungan slot terbuka: ƒ Memungkinkan pemasangan kumparan yang lebih mudah, ƒ Pengeluaran kumparan dari slot dalam rangka perbaikan lebih mudah dilakukan. Kerugian slot terbuka: ƒ Gigi dan slot akan mengganggu keseragaman distribusi medan magnet pada permukaan stator sehingga menimbulkan harmonisa slot. Gambar 2.3 Rangka Stator Beserta Kumparan Jangkarnya Gambar 2.4 Slot Terbuka Universitas Sumatera Utara 10 • Slot Setengah Tertutup Slot setengah tertutup diperlihatkan pada gambar 2.5. Keuntungan slot setengah tertutup: ƒ Harmonisa slot yang dihasilkan lebih kecil daripada slot terbuka Kerugian slot setengah tertutup: ƒ Pemasangan dan pengeluaran kumparan lebih sulit dilakukan • Slot Tertutup Slot tertutup diperlihatkan pada gambar 2.6. Keuntungan slot tertutup: ƒ Tidak menganggu distribusi medan magnet. Kerugian slot tertutup: ƒ Meningkatkan induktansi kumparan. ƒ Sambungan kumparan menjadi lebih rumit. ƒ Biaya yang tinggi dikarenakan proses pemasangan kumparan yang lebih rumit. Gambar 2.5 Slot Setengah Tertutup Gambar 2.6 Slot Tertutup Universitas Sumatera Utara 11 ¾ Rotor Rotor merupakan bagian yang ikut berputar. Kumparan medan diletakkan pada rotor. Rotor juga terdiri dari laminasi-laminasi seperti halnya stator untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Kumparan medan ini disuplai tegangan dc. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Jumlah kutub pada rotor harus sama dengan jumlah kutub pada stator. Ada dua bentuk rotor, yaitu rotor kutub sepatu salient pole dan rotor silinder non-salient polecylindrical rotor. Pada rotor kutub sepatu, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor dan berbentuk seperti sepatu. Lebar permukaan rotor kutub sepatu biasanya hanya mencakup 23 bagian dari lebar permukaan kutub stator. Kumparan pada setiap kutub dihubungkan secara seri. Untuk generator dengan putaran lambat dan berkutub banyak ≥ 4, digunakan rotor kutub sepatu karena diameternya yang besar sehingga bisa dibuat lebih banyak kutub. Pada generator dengan putaran tinggi, rotor kutub sepatu tidak cocok digunakan karena: 1. Tidak cukup kuat untuk menahan stres mekanik yang terjadi pada kecepatan yang tinggi. 2. Pada kecepatan tinggi, akan terjadi gesekan angin yang berlebihan sehingga menghasilkan kebisingan. Jadi, rotor kutub sepatu hanya dijumpai pada putaran rendah. Selain itu, distribusi fluks magnet pada rotor kutub sepatu cenderung berbentuk persegi dan belum mendekati sinusoidal sehingga menimbulkan harmonisa. Rotor silinder terbuat dari baja tempa padat yang mempunyai slot dan gigi di sepanjang pinggiran luarnya seperti halnya stator. Tidak seperti rotor kutub sepatu, kutub magnet pada rotor silinder tidak menonjol. Seperti halnya stator, kumparan medan pada rotor silinder diletakkan di dalam slot ini. Di sekitar daerah pusat kutub umumnya tidak mempunyai slot. Rotor silinder biasanya digunakan pada generator putaran tinggi dan berkutub sedikit ≤ 4. Rotor Universitas Sumatera Utara 12 silinder lebih panjang daripada rotor kutub sepatu. Diameter rotor silinder tidak sebesar rotor kutub sepatu untuk mengurangi gaya sentrifugal yang muncul pada kecepatan putar yang tinggi. Rotor ini memiliki kekuatan mekanis yang tinggi dan tidak menghasilkan gesekan angin yang berlebihan sehingga sangat cocok untuk bekerja pada kecepatan tinggi. Selain itu, distribusi fluks magnet yang dihasilkan lebih mendekati sinusoidal sehingga akan menghasilkan bentuk gelombang tegangan yang lebih baik. Sebagian alternator mempunyai kumparan peredam damper windingamortisseur winding pada rotornya. Kumparan peredam ini berupa beberapa konduktor tembaga ataupun aluminium yang dihubung singkat pada kedua ujungnya melalui cincin tembagaaluminium yang besar sehingga mirip dengan konduktor rotor pada motor induksi rotor sangkar. Cincin ini menggunakan bahan yang sama dengan konduktor kumparan peredam. Cincin dan konduktor ini dihubungkan dengan pengelasan. Pada rotor kutub sepatu kumparan peredam terletak di dalam slot yang berada pada permukaan rotornya, sedangkan pada rotor silinder kumparan peredam terletak di dalam slot yang sama dengan slot yang ditempati oleh kumparan medan. Kumparan peredam ini Gambar 2.8 Rotor Silinder Pada Generator 4 Kutub Gambar 2.7 Rotor Kutub Sepatu Pada Generator 4 Kutub Universitas Sumatera Utara 13 berfungsi untuk meningkatkan stabilitas generator sinkron. Pada motor sinkron, kumparan peredam ini juga berfungsi pada proses pengasutan. ¾ Celah udara Celah udara merupakan celah sempit diantara stator dan rotor. Adanya celah ini memungkinkan rotor untuk berputar tanpa bergesekan dengan stator. Pada transformator, celah udara tidak diperlukan karena tidak ada bagian yang berputar. Melalui celah udara inilah medan magnet dari kumparan medan menembus ke kumparan jangkar.

2.3 Prinsip Kerja