Pendahuluan Resistansi Jangkar Reaktansi Bocor Jangkar

BAB II GENERATOR SINKRON

2.1 Pendahuluan

Generator arus bolak – balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak – balik. Generator arus bolak – balik sering disebut juga sebagai alternator, 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 ini tidak dapat dijalankan sendiri karena kutub – kutub rotor tidak dapat tiba – tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala – jala. Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu: a. Generator arus bolak – balik 1 phasa b. Generator arus bolak – balik 3 phasa Gambar diagram kedua bentuk generator arus bolak – balik tersebut dapat dilihat dari gambar 2.1 berikut. Universitas Sumatera Utara a b Gambar 2.1a Diagram Generator AC Satu Fasa Dua Kutub b Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub Perbedaan prinsip antara generator DC dengan generator AC adalah letak kumparan jangkar dan kumparan statornya. Pada generator DC, kumparan jangkar terletak pada bagian rotor dan kumparan medan terletak pada bagian stator. Sedangkan pada generator AC, kumparan jangkar terletak pada bagian stator dan kumparan medan terletak pada bagian rotor.

2.2 Konstruksi Generator Sinkron

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

2.2.1 Stator

Stator 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 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: Universitas Sumatera Utara 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 I 2 R. 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 2.2 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Gambar 2.2 Inti Stator dan Alur pada Stator Belitan jangkar stator yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga phasa, ada dua tipe yaitu: a. Belitan satu lapis Single Layer Winding. Gambar 2.3 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi lilitan di dalam masing - masing alur. Bila kumparan tiga phasa dimulai pada Sa, Universitas Sumatera Utara Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan phasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis α mek dan sudut listrik αlis, adalah: α lis = α mek …………. 2.1 Gambar 2.3 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa b. Belitan berlapis ganda Double Layer Winding. Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada hanya mempunyai satu lilitan per kutub per phasa, akibatnya masing – masing kumparan hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing – masing tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per phasa. Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga Universitas Sumatera Utara 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 2.4 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa Gambar 2.4 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing masing alur ada dua sisi lilitan dan masing – masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak ke dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.

2.2.2 Rotor Magnetic Field

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 Universitas Sumatera Utara 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 hidraulic harus berputar pada kecepatan rendah 50 – 300 rpm. Salient pole rotor dihubungkan langsung ke roda kincir dan frekuensi yang diinginkan 60 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 60 Hz, putarannya 3600 rpm. Untuk 4 kutub, putarannya 1800 rpm. Bentuk rotor yang terdapat pada generator sinkron dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut. a Rotor kutub menonjol b Rotor Silinder Gambar 2.5 Bentuk Rotor 2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron Jika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnit yang terletak di antara kutub magnit utara dan selatan diputar oleh prime mover, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnit atau fluks yang bersifat bolak – balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memotong – motong kumparan stator sehingga pada ujung – ujung kumparan stator timbul gaya gerak Universitas Sumatera Utara listrik karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik ggl yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak – balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor. Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah: Dimana: f = frekuensi listrik Hz n = kecepatan putar rotor rpm p = jumlah kutub magnet P = = jumlah pasang kutub Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar Universitas Sumatera Utara dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.

2.3.1 Generator Sinkron Tanpa Beban

Dengan memutar generator sinkron diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan I f , maka tegangan E akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut. E = c.n. Φ …………………. 2.3 Dimana : c = konstanta mesin n = putaran sinkron Φ = fluks yang dihasilkan oleh I f Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan I f . Apabila arus medan I f diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga E seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut. Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan output juga akan naik sampai titik saturasi jenuh seperti diperlihatkan pada gambar 2.6 berikut. Universitas Sumatera Utara a b Gambar 2.6 a Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban b Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban Persamaan umum generator adalah : E = V Φ + I a R a + jX s …..…………… 2.4

2.3.2 Generator Sinkron Berbeban

Bila generator diberi beban yang berubah – ubah maka besarnya tegangan terminal Vt akan berubah – ubah pula. Hal ini disebabkan adanya : • Jatuh tegangan karena resistansi jangkar R a • Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar X L • Jatuh tegangan karena reaksi Jangkar Gambar rangkaian dan karakteristik generator sinkron berbeban diperlihatkan pada gambar 2.7 berikut ini. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.7 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban Persamaan tegangan pada generator berbeban adalah: E a = V Φ + I a R a + j I a X s …..……………………2.5 X s = X L + X a ..………………………2.6 Dimana: E a = tegangan induksi pada jangkar per phasa Volt V Φ = tegangan terminal output per phasa Volt R a = resistansi jangkar per phasa ohm X s = reaktansi sinkron per phasa ohm X L = reaktansi bocor per phasa ohm X a = reaktansi reaksi jangkar per phasa ohm

a. Resistansi Jangkar

Universitas Sumatera Utara Resistansi jangkar per phasa R a yang dialiri oleh arus jangkar I a menyebabkan terjadinya tegangan jatuh per phasa I a R a yang sefasa dengan arus jangkar I a . Akan tetapi, pada praktiknya jatuh tegangan ini diabaikan karena sangat kecil.

b. Reaktansi Bocor Jangkar

Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak memotong air-gap, melainkan mengambil jalur yang lain dan menghubungkan sisi – sisi kumparan. Fluks – fluks tersebut dinamakan fluks bocor leakage fluxes. Fluks bocor tersebut bergerak dengan arus jangkar dan memberikan induktansi diri self-inductance belitan yang disebut dengan reaktansi bocor jangkar X L . Oleh karena itu, fluks bocor ini akan menimbulkan jatuh tegangan akibat reaktansi bocor X L yang sama dengan I a X L . Dimana, jatuh tegangan ini juga dapat mengurangi tegangan terminal V Φ . Jadi, akan diperoleh persamaan : E = V Φ + I a R a + jX L …..…….. 2.7 V Φ = E – I a R a + jX L …..…….. 2.8 Gambar 2.8 berikut akan memperlihatkan diagram phasor dari pengaruh reaktansi bocor jangkar X L terhadap tegangan terminal V Φ . Gambar 2.8 Diagram Phasor Pengaruh X L terhadap V Φ beban induktif c. Reaksi Jangkar Universitas Sumatera Utara Seperti pada generator dc, reaksi jangkar adalah pengaruh dari fluksi jangkar pada fluksi medan utama. Dalam kasus alternator, faktor daya dari beban memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap reaksi jangkar. Gambar 2.9 berikut akan memperlihatkan model reaksi jangkar pada generator sinkron. Gambar 2.9 Model Reaksi Jangkar Generator Sinkron Dimana : Universitas Sumatera Utara Gambar a menunjukkan suatu medan magnet yang berputar menghasilkan tegangan induksi E A tidak timbul arus jangkar karena tidak ada beban yang terhubung dan E A = V Φ Gambar b memperlihatkan ketika beban induktif lagging dihubungkan pada terminal jangkar, arus jangkar I A mengalir. Gambar c Arus jangkar menghasilkan medan magnet B s yang kemudian menghasilkan tegangan E stat pada belitan stator. Gambar d Medan magnet stator B s menambah B R menjadi B net . Tegangan E stat menambah E A menghasilkan V Φ pada terminal outputnya. Ketika generator dihubungkan dengan beban lagging, arus puncak akan terjadi pada sudut di bawah tegangan puncak. Pengaruh ini ditunjukkan pada gambar b. Arus yang mengalir dalam belitan stator menghasilkan medan magnet B s dan arahnya ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan seperit ditunjukkan pada gambar c. Medan magnet stator B s menghasilkan tegangan di stator E stat . Dengan hadirnya dua jenis tegangan tersebut, total tegangan dalam satu phasa adalah penjumlahan dari tegangan induksi E A dan tegangan reaksi jangkar E stat . Dalam persamaan : V Φ = E A + E stat ……..……………. 2.9 Total medan magnet B net adalah jumlah dari medan magnet rotor dan medan magnet stator, yaitu : B net = B R + B s …………………. 2.10 Karena sudut – sudut E A dan B R adalah sama dan sudut E stat dan B s juga sama, penjumlahan medan medan magnet B net akan sefasa dengan V Φ gambar d. Tegangan reaksi jangkar dapat diperoleh dengan persamaan : Universitas Sumatera Utara E stat = - jXI A ….………………….. 2.11 Sehingga tegangan terminal : V Φ = E A - jXI A …………………….. 2.12 Terdapat 3 kasus umum dalam reaksi jangkar antara lain : i Ketika faktor daya beban unity. Dimana, reaksi jangkar ini mengakibatkan distorsi. ii Ketika faktor daya beban zero lagging yang mengakibatkan pelemahan demagnetising karena fluksi utama berkurang sehingga tegangan induksi berkurang. iii Ketika faktor daya beban zero leading. Pada kasus ini, fluksi utama mengalami penambahan magnetizing sehingga tegangan induksi juga meningkat. Berikut ini akan diperlihatkan gambar diagram phasor pada generator sinkron saat faktor daya tertinggal lagging, mendahului leading dan satu unity. Universitas Sumatera Utara a Faktor Daya Lagging tertinggal c Faktor Daya Mendahului Leading d Faktor Daya Unity Gambar 2.10 Diagram Phasor Generator Sinkron saat lagging, leading dan unity Dimana : E = Tegangan tanpa beban no-load yang merupakan nilai tegangan terinduksi maksimum pada jangkar ketika tidak ada tahanan jangkar R a , reaktansi bocor X L dan reaksi jangkar. Universitas Sumatera Utara E = Tegangan beban terinduksi yang merupakan tegangan terinduksi setelah terdapat reaksi jangkar. Secara vektor, E lebih kecil daripada E sebesar I a X a . V Φ = Tegangan terminal yang secara vektor lebih kecil daripada E sebesar I a Z s atau lebih kecil daripada E sebesar I a Z. Dimana, Z = ……....……………….. 2.13 Z s = ....……………………. 2.14 I a = Arus jangkar per phasa Ө = sudut faktor daya beban Maka, dari gambar dapat diperoleh : i Untuk faktor daya lagging : E = = ……. 2.15 ii Untuk faktor daya leading : E = = ……. 2.16 ii Untuk faktor daya unity : E = Universitas Sumatera Utara = ……. 2.17

2.4 Karakteristik dan Penentuan Parameter – parameter Generator