Dokumen tips prinsip kerja generator sin
Prinsip Kerja Generator sinkron
Prinsip Kerja Generator sinkron, Prinsip kerja generator
Kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh
suatu generator sinkron berbanding lurus. Gambar 1 akan
memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub,
dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar
secara seri, yaitu penghantar a dan a’.
Untuk dapat lebih mudah memahami, silahkan lihat animasi prinsip kerja
generator.
Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub.
Lilitan seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan terpusat”, dalam
generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa
yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan
terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fuks
medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu
detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).
Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka
untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan
rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik
(rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub
maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus
tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai
sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masingmasing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah
udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada
gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus
satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang
besarnya fuksi sesaat :
ΦA = Φm. Sin ωt
ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° )
ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub
Besarnya fuks resultan adalah jumlah vektor ketiga fuks tersebut adalah:
ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka
besar- besarnya fuks total adalah:
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos (φ – 240°)
Dengan memakai transformasi trigonometri dari :
Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ),
maka dari persamaan diatas diperoleh :
ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt + φ – 240° )
+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°)
Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima
akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat
fuksi total sebesar, ΦT =
Φm. Sin ( ωt - Φ ) eeber .
Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan
sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing fasa
adalah :
E maks = Bm. ℓ. ω r Volt
dimana :
Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla)
ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (eeber)
ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s)
r = Radius dari jangkar (meter)
Generator Tanpa Beban
Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar
pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada
kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo),
yaitu sebesar:
Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. φm. T Volt
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan
oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan
keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan
pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian
ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.
Gambar 3a dan 3b. Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban
Generator Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan
terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian
tegangan pada:
• Resistansi jangkar Ra
• Reaktansi bocor jangkar Xl
• Reaksi Jangkar Xa
a. Resistansi Jangkar
Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa
(tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.
b. Reaktansi Bocor Jangkar
Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fuks yang terjadi
tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut
Fluks Bocor.
c. Reaksi Jangkar
Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani
akan menimbulkan fuksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi dengan fuksi
yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan
suatu fuksi resultan sebesar :
Interaksi antara kedua fuksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti
diperlihatkan pada Gambar 4. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar
untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 4a, 4b, 4c dan 4d. Kondisi Reaksi Jangkar.
Gambar 4a , memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator
dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan
GGL Eb dan ΦA akan tegak lurus terhadap ΦF.
Gambar 4b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani
kapasitif , sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb sebesar θ dan ΦA
terbelakang terhadap ΦF dengan sudut (90 -θ).
Gambar 4c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif
murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb sebesar 90°
dan ΦA akan memperkuat ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Gambar 4d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban
induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari GGL
Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperlemah ΦF yang berpengaruh terhadap
pemagnetan.
Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut
reaktansi Sinkron Xs.
Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan
kapasitif diperlihatkan pada Gambar 5a, 5b dan 5c.
Gambar 5a, 5b dan 5c. Vektor Diagram dari Beban Generator
Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh
yang terjadi, yaitu :
Total Tegangan Jatuh pada Beban:
= I.Ra + j (I.Xa + I.XL)
= I {Ra + j (Xs + XL)}
= I {Ra + j (Xs)}
= I.Zs
Menentukan Resistansi dan Reaktansi
Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari sebuah generator,
harus dilakukan percobaan (test). Ada tiga jenis test yang biasa dilakukan,
yaitu:
• Test Tanpa beban ( Beban Nol )
• Test Hubung Singkat.
• Test Resistansi Jangkar.
Test Tanpa Beban
Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan rangkaian
jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 6.
Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai
rating tegangan output terminal tercapai.
Gambar 6. Rangkaian Test Generator Tanpa Beban.
Test Hubung Singkat
Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung singkat, dan dengan
Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung singkat
tersebut (Gambar 7). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai
diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus
hubung singkat Ihs dicatat.
Gambar 7. Rangkaian Test Generator di Hubung Singkat.
Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam bentuk kurva
karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah
Generator.
Impedansi Sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah:
, If = konstatn
Test Resistansi Jangkar
Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara dua terminal
output sehingga dua fasa terhubung secara seri, Gambar 9. Resistansi per
fasa adalah setengahnya dari yang diukur.
Gambar 9. Pengukuran Resistansi DC.
Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu faktor untuk
menentukan nilai resistansi AC efektif , ef R . Faktor ini tergantung pada
bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan konstruksi
kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6 .
Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan berdasarkan persamaan:
Generator Sinkron Secara Umum
Generator sinkron merupakan mesin listrik arus bolak balik yang mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik arus bolak-balik. Energi mekanik diperoleh dari penggerak mula (prime
mover) yang terkopel dengan rotor generator, sedangkan energi listrik diperoleh dari proses
induksi elektromagnetik yang melibatkan kumparan rotor dan kumparan stator. Mesin listrik arus
bolak-balik ini disebut sinkron karena rotor berputar secara sinkron atau berputar dengan
kecepatan yang sama dengan kecepatan medan magnet putar.
Generator sinkron secara umum dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk rotornya, yaitu
generator turboatau cylindrical-rotor generator dan salient pole generator. Generator yang
digunakan pada pembangkit lisrik yang besar biasanya merupakan jenis generator turbo yang
beroperasi pada kecepatan tinggi dan dikopel dengan turbin gas atau uap. Sedangkan generator
salient-pole biasanya digunakan untuk pembangkit listrik kecil dan menengah.
Gambar 1 (a) Salient-pole Rotor. (b) Cylindrical-rotor.
Pada generator sinkron, arus searah dialirkan pada kumparan rotor yang kemudian menghasilkan
medan magnet rotor. Rotor dari generator akan diputar oleh prime mover, menghasilkan medan
magnet putar di dalam mesin. Pada stator generator juga terdapat kumparan. Medan magnet
putar menyebabkan medan magnet yang melingkupi kumparan stator berubah secara kontinu.
Perubahan medan magnet secara kontinu ini menginduksikan tegangan pada kumparan stator.
Tegangan induksi ini akan berbentuk sinusoidal dan besarnya bergantung pada kekuatan medan
magnet serta kecepatan putaran dari rotor. Untuk membuat generator tiga fasa, pada stator
ditempatkan tiga buah kumparan yang terpisah sejauh 120 o satu sama lain, sehingga tegangan
yang diinduksikan akan terpisah sejauh 120o satu sama lain pula.
Komponen Generator Sinkron
Secara umum ada dua komponen utama penyusun generator sinkron yaitu stator dan rotor. Stator
merupakan bagian dari generator sinkron yang diam, tempat dimana tegangan induksi
dibangkitkan. Sedangkan rotor merupakan bagian dari generator sinkron yang bergerak dan
dialiri arus searah pada kumparannya.
Pada stator, terdapat beberapa komponen utama, yaitu:
Rangka stator
Rangka luar yang biasanya terbuat dari baja berfungsi untuk menyokong struktur stator dan
mempunyai kaki-kaki yang dipasang pada bagian fondasi. Rangka stator ini dibuat kokoh untuk
mengatasi perubahan beban secara tiba-tiba atau hubung singkat tiga fasa.
Inti stator
Inti stator menyediakan jalur permeabilitas yang tinggi untuk proses magnetisasi. Inti stator
dibuat berlaminasi untuk mengurangi rugi eddy current dan juga rugi histeresis. Bahan-bahan
non-magnetic atau penggunaan perisai fluks yang terbuat dari tembaga juga digunakan untuk
mengurangi stray loss.
Slot
Slot merupakan tempat untuk meletakkan kumparan stator yang dibentuk dengan sistem
berbuku-buku.
Kumparan stator
Kumparan stator merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi pada generator dan didesain
untuk menghasilkan kutub-kutub elektromagnetik stator yang sinkron dengan kutub magnet
rotor.
Sedangkan pada bagian rotor terdapat tiga bagian utama, yaitu:
Collector ring atau slip ring
Collector ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor, tetapi dipisahkan oleh
isolasi tertentu. Bagian ini merupakan bagian yang terhubung dengan sumber arus searah yang
untuk selanjutnya dialirkan menuju kumparan rotor.
Kumparan rotor
Kumparan rotor merupakan bagian yang dialiri arus searah sebagai sumber medan magnet
melalui sistem eksitasi tertentu.
Poros
Poros merupakan tempat untuk meletakkan kumparan rotor dan merupakan bagian yang terkopel
dengan dan diputar oleh prime mover.
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Prinsip kerja generator sinkron dapat dijelaskan dengan menggunakan dua kaidah sederhana.
Kaidah pertama untuk rangkaian magnetik dan kaidah yang kedua untuk tegangan yang
diinduksi pada sebuah konduktor yang disebabkan karena variasi medan magnet.
Fluks ϕ dalam suatu rangkaian magnet yang mempunyai reluktansi R m dihasilkan karena adanya
magnetomotive force (mmf) Fm, dimana mmf itu sendiri berasal dari adanya arus I yang mengalir
melalui lilitan berjumlah N.
ϕ = Fm / Rm (1)
dan
Fm=IN (2)
Bagian magnetik dan elektrik yang utama dari generator salient-pole dapat dilihat pada gambar
berikut:
Gambar 2. Prinsip Kerja Generator Sinkron
Pada gambar 2 (a), arus searah dialirkan menuju kumparan rotor melalui brush dan collector
ring. Produk antara arus medan I dan jumlah lilitan N menghasilkan Fm, sedangkan adanya
reluktansi rangkaian magnet akan menghasilkan fluks magnet. Jalur fluks magnet ini ditunjukkan
oleh garis putus-putus pada gambar 2 (b). Ketika rotor diputar, jalur fluks yang dibentuk karena
adanya mmf Fm juga ikut berputar bersama putaran rotor. Hal ini diilustrasikan pada gambar
kedua dari gambar 2 (b). Ketika fluks magnet ϕ memotong rangkaian magnetik dengan luas
penampang A, maka kepadatan fluks B dapat dinyatakan sebagai berikut:
B=ϕ/A (3)
Gambar 2 (a) juga menunjukkan stator dengan lilitan tunggal sepanjang l. Ketika rotor berputar,
fluks magnet rotor akan memotong lilitan stator dengan kecepatan v, sehingga electromotive
force (emf) eind akan muncul, sesuai dengan persamaan:
eind =(v x B) . l (4)
Dengan arah yang sesuai dengan aturan tangan kanan Fleming sebagaimana yang ditunjukkan
oleh gambar 2 (a) di atas. Melalui penurunan matematis secara lanjut akan dihasilkan persamaan
tegangan rms pada stator sebagai berikut:
eind =kϕω (5)
Gambar 2 (b) menunjukkan bahwa ketika medan magnet berotasi, kepadatan fluks pada lilitan
stator berubah. Ketika pole berhadapan dengan lilitan, kepadatan fluks celah udara B pada
kondisi ini bernilai paling tinggi, dan akan bernilai nol ketika pole berada sejauh 90o dari lilitan.
Oleh karena itu, besar emf induksi atau tegangan V akan bervariasi terhadap waktu sesuai dengan
variasi kepadatan fluks di sekitar rotor. Hasil variasi ini dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 3.Gelombang Tegangan Induksi
Bentuk seperti gambar 3 akan terus berulang setiap kali rotor berevolusi. Frekuensi dari bentuk
gelombang sinusoidal ini dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:
Dengan :
f = frekuensi (Hz)
ns = kecepatan sinkron (rpm)
p = jumlah kutub
Oleh karena itu, untuk menghasilkan frekuensi sebesar 50 Hz, generator berkutub dua harus
berputar dengan kecepatan sebesar 3000 rpm, generator berkutub empat dengan kecepatan 1500
rpm, dan seterusnya.
Jika jumlah lilitan pada stator ditambah, seperti yang tergambar pada gambar 4 (a), dan jika
lilitan ini terpisah dengan jarak yang sama satu sama lain, maka keluaran tiga fasa sebagaimana
yang ditunjukkan pada gambar 4.4 (b) dapat dibangkitkan.
Gambar 4. Pembangkitan Tiga Fasa
Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Jika eind pada persamaan (4) di artikel sebelumnya dilambangkan dengan EApada bagian ini,
maka tegangan terminal generator satu fasa Vϕ akan sama dengan EA hanya jika generator
beroperasi dalam keadaan tanpa beban. Untuk kondisi berbeban, maka dua nilai tegangan ini
akan berbeda. Ada beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara nilai EA dan Vϕ, antara
lain:
1. Distorsi kepadatan fluks (medan magnet) celah udara oleh karena arus yang mengalir
pada stator yang disebut armature reaction (reaksi jangkar).
2. Induktansi diri dari lilitan jangkar
3. Resistansi dari lilitan jangkar.
Penyebab pertama yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi EA dan tegangan
keluaran generator Vϕ, dan biasanya merupakan sumber utama terjadinya perbedaan nilai
tersebut adalah reaksi jangkar. Ketika rotor generator diputar, tegangan EA akan diinduksikan
pada kumparan stator. Jika beban dipasang pada terminal generator, arus akan mengalir menuju
beban. Akan tetapi, arus tiga fasa stator yang mengalir akan menimbulkan medan magnet di
sekitar kumparan stator tersebut. Medan magnet stator yang menambah medan magnet rotor
menyebabkan perubahan tegangan keluaran generator. Peristiwa ini disebut dengan reaksi
jangkar karena arus jangkar (stator) mempengaruhi medan magnet yang pada mulanya
memproduksi arus jangkar tersebut.
Gambar 5. Model Reaksi Jangkar
Pada gambar 5 (a), digambarkan bahwa rotor berkutub dua diputar di dalam stator tiga fasa.
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka medan magnet BR akan menghasilkan tegangan
induksi EA, dengan nilai maksimum yang berimpitan dengan arah BR.
Jika diasumsikan sebuah beban induktif dipasang pada terminal generator, maka arus maksimum
akan tertinggal dari tegangan induksi maksimum. Pengaruh ini digambarkan pada gambar 5 (b).
Arus yang mengalir pada kumparan stator menghasilkan medan magnetnya sendiri. Medan
magnet stator ini disebut dengan BS dan mempunyai arah yang ditunjukkan pada gambar 5 (c).
Medan magnet BS menghasilkan tegangan sendiri, dan tegangan ini disebut dengan Estat dalam
gambar 5 (c).
Dengan adanya dua tegangan yang muncul pada kumparan stator, tegangan total merupakan
penjumlahan tegangan induksi EA dengan tegangan reaksi jangkar Estat.
VΦ =EA + Estat
Medan magnet total Bnet juga merupakan penjumlahan medan magnet rotor dan stator.
Bnet = Bs + Br
Karena sudut EA sama dengan sudut BR, dan sudut Estat juga sama dengan sudut BS, maka medan
magnet Bnet akan beririsan dengan Vϕ. Tegangan dan arus hasil reaksi jangkar ini ditunjukkan oleh
gambar 5 (d).
Pengaruh reaksi jangkar dapat direpresentasikan secara matematis dengan memperhatikan bahwa
tegangan Estat terletak 90o dibelakang arus IA, dan juga dengan memperhatikan bahwa besarnya
Estat berbanding lurus dengan arus IA. Jika X adalah konstanta proporsionalitas, maka tegangan
reaksi jangkar dapat dituliskan sebagai berikut:
VΦ =EA – jXIA
lain yang berpengaruh terhadap besarnya tegangan keluaran generator Vϕ adalah adanya
induktansi diri dan resistansi lilitan stator. Jika induktansi diri stator disebut LA(sehingga
reaktansinya disebut XA), sedangkan resistansinya dilambangkan dengan RA, maka perbedaan
total antara Vϕ dengan EA diberikan oleh persamaan berikut:
VΦ =EA – jXIA – jXAIA – RAIA
Jika diasumsikan bahwa reaktansi akibat reaksi jangkar dan reaktansi akibat induktansi diri
disebut dengan reaktansi sinkron XS, maka persamaan akhir untuk tegangan keluaran Vϕ menjadi:
VΦ =EA - jXSIA – RAIA
Dengan persamaan di atas, maka rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa dapat
digambarkan sebagai berikut:
Gambar 6. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa
Gambar 6 menunjukkan sebuah sumber arus searah yang menyuplai rangkaian medan rotor yang
dimodelkan dengan induktansi dan resistansi lilitan yang dipasang seri. Radj juga dipasang secara
seri dengan RF untuk mengendalikan besar aliran arus medan. Sedangkan gambar lainnya
merupakan representasi dari masing-masing fasa. Masing-masing fasa mempunyai tegangan
induksi yang dirangkai seri terhadap induktansi sinkron XS dan resistansi seri RA. Tegangan dan
arus dari rangkaian tiga fasa dalam kondisi yang seimbang mempunyai besar yang sama, tapi
terpisah pada sudutnya sejauh 120o satu sama lain.
Rangkaian tiga fasa dapat merupakan konfigurasi Y atau Δ. Jika konfigurasi rangkaian tiga fasa
berbentuk Y, maka tegangan terminal VT bernilai:
Sedangkan jika konfigurasi rangkaian tiga fasa berbentuk Δ, maka tegangan terminal VT bernilai:
Gambar 7.Rangkaian Ekivalen Generator dengan Konfigurasi (a) Y dan (b) Δ
Karena tiga fasa dari generator sinkron identik dalam semua hal kecuali sudut fasanya dalam
kondisi seimbang, maka akan lebih mudah menganalisa rangkaian ekivalen generator sinkron
dengan menggunakan rangkaian ekivalen tiap fasa yang ditunjukkan oleh gambar berikut:
Gambar 8. Rangkaian Ekivalen Per-fasa
Generator Sinkron
Diagram Fasor Generator Sinkron
Fasor digunakan untuk menggambarkan hubungan antara tegangan-tegangan arus bolak-balik.
Gambar 9 menunjukkan hubungan diantara tegangan-tegangan arus bolak balik tersebut ketika
generator mensuplai beban resistif murni (faktor daya nol). Total tegangan EA berbeda dari
tegangan terminal Vϕ karena adanya tegangan jatuh resistif dan induktif. Semua tegangan
direferensikan terhadap Vϕ yang diasumsikan bersudut 0o.
Gambar 9.Diagram Fasor Generator Sinkron dengan Faktor Daya Satu
Gambar 10 mengilustrasikan diagram fasor untuk generator yang beroperasi pada faktor daya
lagging dan leading. Perlu dicermati bahwa, untuk tegangan fasa dan arus jangkar yang sama,
beban lagging membutuhkan tegangan induksi EA yang lebih besar daripada beban leading. Oleh
karena itu, arus medan yang lebih besar dibutuhkan oleh beban lagging untuk mendapatkan
tegangan terminal yang sama dengan beban leading. Untuk arus medan dan besar arus beban
yang sama, tegangan terminal untuk beban lagging lebih kecil daripada beban leading.
Gambar 10. Diagram Fasor Generator
Sinkron pada Faktor Daya (a) Lagging dan (b) Leading
Pada mesin sinkron, besarnya resistansi RA sangatlah kecil dibandingkan dengan reaktansi
sinkron XS. Jika resistansi sinkron diabaikan, maka sebuah persamaan penting untuk
memperkirakan daya keluaran generator dapat diturunkan.
Gambar 11.Diagram Fasor yang Disederhanakan
Daya keluaran generator dirumuskan sebagai berikut:
Dari diagram fasor pada gambar 11 terlihat bahwa
Sehingga persamaan akhir untuk perkiraan daya keluaran generator adalah:
Pengaruh Perubahan Beban pada Generator yang Beroperasi
Sendiri
Ketika beban meningkat, daya aktif dan / atau daya reaktif yang diambil dari generator akan
meningkat. Peningkatan beban akan meningkatkan arus beban yang diambil dari generator. Jika
arus medan tidak diubah (fluks ϕ bernilai konstan) dan jika prime mover dijaga agar berputar
pada kecepatan mekanik yang konstan (sehingga frekuensinya tetap), maka besar dari tegangan
induksi (EA) akan bernilai konstan.
Jika generator beroperasi pada faktor daya lagging dan beban tambahan diberikan pada faktor
daya yang sama, maka besarnya IA akan meningkat dengan sudut θ di antara IA dan Vϕ yang tetap
konstan dan oleh karenanya, tegangan reaksi jangkar jXSIA juga akan meningkat dengan tetap
menjaga konstan sudutnya.
Karena
jXSIA bertambah, sedangkan besar dari EA tetap konstan (gambar 12 (a)). Maka, ketika beban
dengan faktor daya lagging bertambah, tegangan Vϕ turun dengan cukup tajam. Gambar 12 (b)
mengilustrasikan pengaruh ketika generator ditambah beban berfaktor daya satu dan terlihat
bahwa Vϕ turun sedikit. Gambar 12 (c) menggambarkan pengaruh ketika generator diberi beban
tambahan dengan faktor daya leading, yaitu mengakibatkan tegangan Vϕ menjadi naik.
Gambar 12.Pengaruh Penambahan Beban (a) Lagging, (b) Resistif Murni dan (c) Leading
terhadap Tegangan Terminal
Dalam kondisi operasi normal, diinginkan agar tegangan tetap konstan sekalipun beban berubahubah. Variasi tegangan terminal dapat diatasi dengan memvariasikan besar EA, yaitu dengan
memvariasikan medan magnet (dan juga fluks) generator. Sebagai contoh, ketika beban lagging
ditambahkan pada generator, tegangan terminal akan turun. Dengan memperbesar arus medan IF
melalui pengaturan sistem eksitasi maka EA akan meningkat karena meningkatnya fluks
sehingga, pada akhirnya tegangan terminal juga akan meningkat. Proses ini akan terbalik untuk
menurunkan tegangan terminal.
Pengaruh perubahan beban terhadap tegangan terminal generator secara ringkas dapat dilihat
pada gambar berikut ini
Gambar 13. Kurva Karakteristik Generator
dalam Kondisi Berbeban
Sinkronisasi Generator dengan Jaringan Listrik
Untuk mensikronisasikan generator dengan jaringan listrik, (gambar 14) ada empat kondisi yang
harus dipenuhi, yaitu:
Gambar 14.Sinkronisasi Generator ke Jaringan Listrik
Urutan fasa generator harus sama dengan
urutan fasa jaringan listrik.
Besar tegangan sinusoidal yang dihasilkan
generator harus sama dengan besar tegangan
sinusoidal jaringan listrik.
Frekuensi tegangan sinusoidal yang dihasilkan
oleh generator harus sama dengan frekuensi
tegangan sinusoidal jaringan listrik.
Beda sudut fasa antara tegangan yang
dihasilkan oleh generator dan tegangan yang
dihasilkan oleh jaringan harus bernilai nol.
Secara praktis, suatu instrumen yang dinamakan synchroscope digunakan untuk mengukur
perbedaan sudut fasa antara tegangan generator dengan tegangan jaringan. Selain itu, dua buah
voltmeter juga digunakan untuk memastikan tegangan generator dan tegangan jaringan bernilai
sama.
Gambar 15. Synchroscope
Posisi jarum penunjuk synchroscope, yang mengindikasikan perbedaan sudut fasa antara
tegangan generator dengan tegangan jaringan, akan berada pada posisi vertikal atau berada pada
posisi pukul 12.00 jika perbedaan fasa antar keduanya bernilai nol.
Kecepatan rotasi jarum penunjuk mengindikasikan perbedaan frekuensi dari dua tegangan. Jarum
penunjuk akan berotasi pada arah slow ketika frekuensi generator lebih rendah dari frekuensi
jaringan. Sebaliknya, jarum penunjuk akan berotasi pada arah fast ketika frekuensi generator
lebih tinggi daripada frekuensi jaringan.
Dalam prakteknya, synchronizing breaker ditutup ketika posisi jarum penunjuk sedikit berada
pada arah fast, yaitu ketika frekuensi generator sedikit lebih tinggi daripada frekuensi jaringan,
untuk memberikan waktu bagi penutupan breaker dan memastikan generator tidak berperilaku
sebagai motor sesaat setelah breaker ditutup.
Operasi Paralel Generator pada Infnnite Bus
Generator sinkron yang dihubungkan dengan sistem tenaga listrik yang berkapasitas sangat besar
hanya akan memberikan sedikit sekali pengaruh pada sistem tenaga listrik tersebut. Kenyataan
ini kemudian diidealisasikan menjadi konsep infinite bus. Infinite bus adalah sistem tenaga listrik
yang sangat besar dimana tegangan dan frekuensinya tidak berubah, tidak peduli seberapa
banyak daya aktif dan daya reaktif yang diambil dari atau disuplai ke sistem tenaga listrik
tersebut. Jika generator yang mempunyai kapasitas lebih kecil dari 5% kapasitas sistem tenaga
listrik dihubungkan pada sistem tersebut, maka dapat diasumsikan bahwa generator tersebut
dihubungkan dengan infinite bus. Karakteristik daya aktif-frekuensi dan daya reaktif-tegangan
dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Gambar 16.Kurva (a) Frekuensi Vs. Daya dan (b) Tegangan Terminal Vs Daya Reaktif pada
Infinite Bus
Jika generator telah diparalelkan dengan infinite bus, generator akan mensuplai sejumlah kecil
daya nyata dengan sedikit atau tidak mensuplai daya reaktif. Hal ini dapat digambarkan dalam
house diagram seperti gambar 17
Gambar 17. Diagram Frekuensi Vs Daya Sesaat Setelah Diparalelkan
Jika generator yang telah diparalel mempunyai frekuensi yang lebih rendah daripada frekuensi
sistem (gambar 18), frekuensi no-load generator akan lebih kecil daripada frekuensi operasi
sistem. Pada keadaan ini, daya yang disuplai oleh generator bernilai negatif (generator
mengkonsumsi energi listrik karena beroperasi sebagai motor). Oleh karena itu, generator yang
diparalelkan pada sistem harus mempunyai frekuensi yang sedikit lebih tinggi daripada frekuensi
sistem untuk memastikan bahwa generator akan mensuplai daya dan tidak mengkonsumsi daya.
Gambar 18. Diagram Frekuensi Vs Daya
Jika Frekuensi No-Load Lebih Rendah daripada Frekuensi Sistem
Ketika governor setpoint ditingkatkan untuk menggeser frekuensi no-load generator ke atas,
frekuensi sistem akan tetap konstan (frekuensi infinite bus tidak akan berubah) sehingga daya
keluaran generator meningkat. House diagram dan diagram fasor yang mengilustrasikan hal ini
dapat dilihat pada gambar 19 (a)
Gambar 19. Pengaruh Peningkatan Governor Setpoint pada (a) House Diagram dan (b)
Diagram Fasor
Dari diagram fasor pada gambar 19 (b) terlihat bahwa besar EA tetap konstan karena IF dan ω
tidak berubah, sedangkan EA sin δ (yang besarnya proporsional terhadap daya keluaran generator
sepanjang VT tetap konstan) meningkat. Ketika governor setpoint ditingkatkan, frekuensi no-load
dan daya keluaran generator akan kembali meningkat. Seiring peningkatan daya, besarnya EA
akan tetap konstan, sedangkan EA sin δ akan terus meningkat.
Gambar 19 (b) mengilustrasikan diagram fasor generator ketika daya aktif telah disesuaikan pada
nilai yang dibutuhkan. Terlihat pula pada diagram fasor, bahwa generator mempunyai faktor
daya leading, yang berarti generator mengkonsumsi daya reaktif. Untuk menyesuaikan faktor
daya agar generator dapat mensuplai daya reaktif, maka penyesuaian besar arus medan juga
diperlukan dengan menjaga daya aktif tetap bernilai konstan.
Daya aktif akan tetap bernilai konstan sekalipun besar arus medan diubah-ubah karena hal
berikut:
Besar daya masukan generator adalah Pin =
τindωm
Prime mover mempunyai karakteristik torsikecepatan yang tetap untuk governor setting
yang tertentu, dan kurva karakteristik ini
hanya akan berubah jika governor set point
diubah.
Karena generator dihubungkan dengan infinite
bus, kecepatannya tidak dapat berubah. Jika
kecepatan generator tidak berubah dan
governor set point tidak diubah, daya yang
disuplai generator akan tetap konstan.
Karena daya yang disuplai tidak berubah
ketika arus medan disesuaikan nilainya, maka
IA cosθ dan EA sin δ (yang proporsional
terhadap daya) tidak akan berubah.
Oleh karena hal tersebut di atas ketika arus medan ditingkatkan, fluks ϕ meningkat, sehingga EA
meningkat. Jika EA meningkat, tetapi EA sin δ tetap konstan, maka fasor EA akan bergeser
sepanjang garis daya konstan sebagaimana terlihat pada gambar 20 . Karena Vϕ bernilai konstan,
sudut dari jXSIA berubah, sehingga besar IA akan berubah. Jika diperhatikan, maka hasil akhir dari
peningkatan arus medan adalah jarak yang proporsional terhadap Q (IA sinθ) akan meningkat.
Atau dengan kata lain dapat disimpulkan bahwa, peningkatan arus medan pada generator sinkron
yang bekerja paralel terhadap infinite bus akan meningkatkan daya reaktif keluaran generator.
Gambar 20. Pengaruh Peningkatan Arus Medan Generator
Sistem Eksitasi Generator Sinkron
Sistem eksitasi merupakan sistem pemberian arus searah pada kumparan medan yang terdapat
pada rotor generator guna menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar yang terdapat
pada stator generator.
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi dapat
dibagi menjadi dua jenis, yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikatdan sistem eksitasi
tanpa sikat. Sistem eksitasi dengan menggunakan sikat terdiri dari:
1.
Sistem eksitasi dengan menggunakan
generator arus searah
2.
Sistem eksitasi statis
Sedangkan sistem eksitasi tanpa sikat terdiri dari:
1.
Sistem eksitasi tanpa menggunakan pilot
exciter
2.
Sistem eksitasi dengan menggunakan pilot
exciter
Sistem
Eksitasi
dengan
Generator
Arus
Searah
Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah merupakan sistem eksitasi
konvensional, dimana arus searah yang dialirkan pada kumparan rotor diperoleh dari generator
arus searah yang terkopel dalam satu poros dengan generator sinkron.
Arus searah yang dihasilkan oleh generator arus searah ini dialirkan pada kumparan rotor melalui
sikat dan slip ring untuk menghasilkan tegangan induksi pada kumparan stator (jangkar)
generator sinkron.
Gambar 21.Sistem Eksitasi dengan Generator Arus Searah
Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah ini mempunyai beberapa kelemahan,
antara lain:
Generator arus searah yang terkopel pada
poros yang sama dengan generator sinkron
menjadi beban tambahan bagi prime mover.
Penggunaan sikat untuk menyalurkan arus
searah pada rotor generator sinkron maupun
sikat yang terdapat pada generator arus
searah itu sendiri mengakibatkan adanya
tegangan jatuh pada sikat yang menyebabkan
rugi-rugi daya yang cukup besar.
Penggunaan sikat dan slip ring membutuhkan
perawatan yang tinggi karena sikat harus
diperiksa secara teratur.
Selain itu, generator arus searah sendiri
mempunyai keandalan yang rendah.
Oleh karena masalah-masalah tersebut, maka dikembangkan sistem eksitasi lain, yaitu sistem
eksitasi statis, untuk meningkatkan sistem eksitasi yang masih menggunakan sikat ini.
Sistem Eksitasi Statis
Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak, yang berarti bahwa
peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama rotor generator sinkron. Pada sistem eksitasi ini,
generator tambahan tidak lagi diperlukan dan sebagai gantinya, sumber eksitasi berasal dari
keluaran generator sinkron itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan
rectifiier.
Gambar 22. Sistem Eksitasi Statis
Sistem eksitasi statis mempunyai kualitas yang lebih baik daripada sistem eksitasi konvensional
dengan menggunakan generator arus searah. Namun, penggunaan sikat masih menjadi
permasalahan pada sistem eksitasi ini.
Sistem Eksitasi tanpa Sikat tanpa
Pnilot
Excniter
Sistem eksitasi ini menyalurkan arus searah pada kumparan rotor tanpa menggunakan sikat.
Sistem eksitasi ini terdiri dari sebuah generator arus bolak-balik yang mempunyai kumparan
medan yang terletak pada stator dan kumparan jangkar yang terletak pada poros rotor.
Sejumlah kecil arus tiga fasa disearahkan dan digunakan untuk mensuplai kumparan medan pada
exciter yang terletak di stator. Keluaran kumparan jangkar exciter (pada rotor)disearahkan
menjadi arus searah dengan menggunakan rectifier tiga fasa yang juga terpasang pada poros
rotor dan kemudian dialirkan ke kumparan medan utama. Besarnya arus medan yang dialirkan
menuju rotor generator utama dapat dikendalikan dengan sejumlah kecil arus medan exciter yang
terletak pada stator.
Gambar 23. Sistem Eksitasi tanpa Sikat tanpa Pilot Exciter
Sistem eksitasi tanpa sikat membutuhkan perawatan yang lebih sedikit dibandingkan dengan
sistem eksitasi dengan menggunakan sikat karena tidak adanya kontak mekanis antara rotor
dengan stator.
Sistem
Eksitasi
tanpa
Sikat
dengan
Menggunakan Pnilot Excniter
Sistem eksitasi tanpa sikat dapat dibuat sama sekali tidak bergantung pada sumber listrik
eksternal dengan menggunakan pilot exciter berukuran kecil. Pilot exciter terdiri dari sebuah
generator arus bolak-balik dengan magnet permanen yang terpasang pada poros rotor dan
kumparan tiga fasa pada stator. Pilot exciter menghasilkan daya yang dibutuhkan oleh rangkaian
medan exciter yang digunakan untuk mengendalikan rangkaian medan generator utama. Ketika
pilot exciter digunakan, generator dapat beroperasi tanpa sumber listrik dari luar.
Gambar 24. Sistem Eksitasi tanpa Sikat dengan Menggunakan Pilot Excite
Prinsip Kerja Generator sinkron, Prinsip kerja generator
Kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh
suatu generator sinkron berbanding lurus. Gambar 1 akan
memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub,
dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar
secara seri, yaitu penghantar a dan a’.
Untuk dapat lebih mudah memahami, silahkan lihat animasi prinsip kerja
generator.
Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub.
Lilitan seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan terpusat”, dalam
generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa
yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan
terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fuks
medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu
detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).
Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka
untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan
rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik
(rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub
maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus
tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai
sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masingmasing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah
udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada
gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus
satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang
besarnya fuksi sesaat :
ΦA = Φm. Sin ωt
ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° )
ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub
Besarnya fuks resultan adalah jumlah vektor ketiga fuks tersebut adalah:
ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka
besar- besarnya fuks total adalah:
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos (φ – 240°)
Dengan memakai transformasi trigonometri dari :
Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ),
maka dari persamaan diatas diperoleh :
ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt + φ – 240° )
+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°)
Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima
akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat
fuksi total sebesar, ΦT =
Φm. Sin ( ωt - Φ ) eeber .
Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan
sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing fasa
adalah :
E maks = Bm. ℓ. ω r Volt
dimana :
Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla)
ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (eeber)
ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s)
r = Radius dari jangkar (meter)
Generator Tanpa Beban
Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar
pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada
kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo),
yaitu sebesar:
Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. φm. T Volt
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan
oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan
keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan
pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian
ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.
Gambar 3a dan 3b. Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban
Generator Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan
terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian
tegangan pada:
• Resistansi jangkar Ra
• Reaktansi bocor jangkar Xl
• Reaksi Jangkar Xa
a. Resistansi Jangkar
Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa
(tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.
b. Reaktansi Bocor Jangkar
Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fuks yang terjadi
tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut
Fluks Bocor.
c. Reaksi Jangkar
Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani
akan menimbulkan fuksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi dengan fuksi
yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan
suatu fuksi resultan sebesar :
Interaksi antara kedua fuksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti
diperlihatkan pada Gambar 4. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar
untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 4a, 4b, 4c dan 4d. Kondisi Reaksi Jangkar.
Gambar 4a , memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator
dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan
GGL Eb dan ΦA akan tegak lurus terhadap ΦF.
Gambar 4b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani
kapasitif , sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb sebesar θ dan ΦA
terbelakang terhadap ΦF dengan sudut (90 -θ).
Gambar 4c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif
murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb sebesar 90°
dan ΦA akan memperkuat ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Gambar 4d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban
induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari GGL
Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperlemah ΦF yang berpengaruh terhadap
pemagnetan.
Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut
reaktansi Sinkron Xs.
Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan
kapasitif diperlihatkan pada Gambar 5a, 5b dan 5c.
Gambar 5a, 5b dan 5c. Vektor Diagram dari Beban Generator
Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh
yang terjadi, yaitu :
Total Tegangan Jatuh pada Beban:
= I.Ra + j (I.Xa + I.XL)
= I {Ra + j (Xs + XL)}
= I {Ra + j (Xs)}
= I.Zs
Menentukan Resistansi dan Reaktansi
Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari sebuah generator,
harus dilakukan percobaan (test). Ada tiga jenis test yang biasa dilakukan,
yaitu:
• Test Tanpa beban ( Beban Nol )
• Test Hubung Singkat.
• Test Resistansi Jangkar.
Test Tanpa Beban
Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan rangkaian
jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 6.
Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai
rating tegangan output terminal tercapai.
Gambar 6. Rangkaian Test Generator Tanpa Beban.
Test Hubung Singkat
Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung singkat, dan dengan
Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung singkat
tersebut (Gambar 7). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai
diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus
hubung singkat Ihs dicatat.
Gambar 7. Rangkaian Test Generator di Hubung Singkat.
Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam bentuk kurva
karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah
Generator.
Impedansi Sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah:
, If = konstatn
Test Resistansi Jangkar
Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara dua terminal
output sehingga dua fasa terhubung secara seri, Gambar 9. Resistansi per
fasa adalah setengahnya dari yang diukur.
Gambar 9. Pengukuran Resistansi DC.
Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu faktor untuk
menentukan nilai resistansi AC efektif , ef R . Faktor ini tergantung pada
bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan konstruksi
kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6 .
Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan berdasarkan persamaan:
Generator Sinkron Secara Umum
Generator sinkron merupakan mesin listrik arus bolak balik yang mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik arus bolak-balik. Energi mekanik diperoleh dari penggerak mula (prime
mover) yang terkopel dengan rotor generator, sedangkan energi listrik diperoleh dari proses
induksi elektromagnetik yang melibatkan kumparan rotor dan kumparan stator. Mesin listrik arus
bolak-balik ini disebut sinkron karena rotor berputar secara sinkron atau berputar dengan
kecepatan yang sama dengan kecepatan medan magnet putar.
Generator sinkron secara umum dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk rotornya, yaitu
generator turboatau cylindrical-rotor generator dan salient pole generator. Generator yang
digunakan pada pembangkit lisrik yang besar biasanya merupakan jenis generator turbo yang
beroperasi pada kecepatan tinggi dan dikopel dengan turbin gas atau uap. Sedangkan generator
salient-pole biasanya digunakan untuk pembangkit listrik kecil dan menengah.
Gambar 1 (a) Salient-pole Rotor. (b) Cylindrical-rotor.
Pada generator sinkron, arus searah dialirkan pada kumparan rotor yang kemudian menghasilkan
medan magnet rotor. Rotor dari generator akan diputar oleh prime mover, menghasilkan medan
magnet putar di dalam mesin. Pada stator generator juga terdapat kumparan. Medan magnet
putar menyebabkan medan magnet yang melingkupi kumparan stator berubah secara kontinu.
Perubahan medan magnet secara kontinu ini menginduksikan tegangan pada kumparan stator.
Tegangan induksi ini akan berbentuk sinusoidal dan besarnya bergantung pada kekuatan medan
magnet serta kecepatan putaran dari rotor. Untuk membuat generator tiga fasa, pada stator
ditempatkan tiga buah kumparan yang terpisah sejauh 120 o satu sama lain, sehingga tegangan
yang diinduksikan akan terpisah sejauh 120o satu sama lain pula.
Komponen Generator Sinkron
Secara umum ada dua komponen utama penyusun generator sinkron yaitu stator dan rotor. Stator
merupakan bagian dari generator sinkron yang diam, tempat dimana tegangan induksi
dibangkitkan. Sedangkan rotor merupakan bagian dari generator sinkron yang bergerak dan
dialiri arus searah pada kumparannya.
Pada stator, terdapat beberapa komponen utama, yaitu:
Rangka stator
Rangka luar yang biasanya terbuat dari baja berfungsi untuk menyokong struktur stator dan
mempunyai kaki-kaki yang dipasang pada bagian fondasi. Rangka stator ini dibuat kokoh untuk
mengatasi perubahan beban secara tiba-tiba atau hubung singkat tiga fasa.
Inti stator
Inti stator menyediakan jalur permeabilitas yang tinggi untuk proses magnetisasi. Inti stator
dibuat berlaminasi untuk mengurangi rugi eddy current dan juga rugi histeresis. Bahan-bahan
non-magnetic atau penggunaan perisai fluks yang terbuat dari tembaga juga digunakan untuk
mengurangi stray loss.
Slot
Slot merupakan tempat untuk meletakkan kumparan stator yang dibentuk dengan sistem
berbuku-buku.
Kumparan stator
Kumparan stator merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi pada generator dan didesain
untuk menghasilkan kutub-kutub elektromagnetik stator yang sinkron dengan kutub magnet
rotor.
Sedangkan pada bagian rotor terdapat tiga bagian utama, yaitu:
Collector ring atau slip ring
Collector ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor, tetapi dipisahkan oleh
isolasi tertentu. Bagian ini merupakan bagian yang terhubung dengan sumber arus searah yang
untuk selanjutnya dialirkan menuju kumparan rotor.
Kumparan rotor
Kumparan rotor merupakan bagian yang dialiri arus searah sebagai sumber medan magnet
melalui sistem eksitasi tertentu.
Poros
Poros merupakan tempat untuk meletakkan kumparan rotor dan merupakan bagian yang terkopel
dengan dan diputar oleh prime mover.
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Prinsip kerja generator sinkron dapat dijelaskan dengan menggunakan dua kaidah sederhana.
Kaidah pertama untuk rangkaian magnetik dan kaidah yang kedua untuk tegangan yang
diinduksi pada sebuah konduktor yang disebabkan karena variasi medan magnet.
Fluks ϕ dalam suatu rangkaian magnet yang mempunyai reluktansi R m dihasilkan karena adanya
magnetomotive force (mmf) Fm, dimana mmf itu sendiri berasal dari adanya arus I yang mengalir
melalui lilitan berjumlah N.
ϕ = Fm / Rm (1)
dan
Fm=IN (2)
Bagian magnetik dan elektrik yang utama dari generator salient-pole dapat dilihat pada gambar
berikut:
Gambar 2. Prinsip Kerja Generator Sinkron
Pada gambar 2 (a), arus searah dialirkan menuju kumparan rotor melalui brush dan collector
ring. Produk antara arus medan I dan jumlah lilitan N menghasilkan Fm, sedangkan adanya
reluktansi rangkaian magnet akan menghasilkan fluks magnet. Jalur fluks magnet ini ditunjukkan
oleh garis putus-putus pada gambar 2 (b). Ketika rotor diputar, jalur fluks yang dibentuk karena
adanya mmf Fm juga ikut berputar bersama putaran rotor. Hal ini diilustrasikan pada gambar
kedua dari gambar 2 (b). Ketika fluks magnet ϕ memotong rangkaian magnetik dengan luas
penampang A, maka kepadatan fluks B dapat dinyatakan sebagai berikut:
B=ϕ/A (3)
Gambar 2 (a) juga menunjukkan stator dengan lilitan tunggal sepanjang l. Ketika rotor berputar,
fluks magnet rotor akan memotong lilitan stator dengan kecepatan v, sehingga electromotive
force (emf) eind akan muncul, sesuai dengan persamaan:
eind =(v x B) . l (4)
Dengan arah yang sesuai dengan aturan tangan kanan Fleming sebagaimana yang ditunjukkan
oleh gambar 2 (a) di atas. Melalui penurunan matematis secara lanjut akan dihasilkan persamaan
tegangan rms pada stator sebagai berikut:
eind =kϕω (5)
Gambar 2 (b) menunjukkan bahwa ketika medan magnet berotasi, kepadatan fluks pada lilitan
stator berubah. Ketika pole berhadapan dengan lilitan, kepadatan fluks celah udara B pada
kondisi ini bernilai paling tinggi, dan akan bernilai nol ketika pole berada sejauh 90o dari lilitan.
Oleh karena itu, besar emf induksi atau tegangan V akan bervariasi terhadap waktu sesuai dengan
variasi kepadatan fluks di sekitar rotor. Hasil variasi ini dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 3.Gelombang Tegangan Induksi
Bentuk seperti gambar 3 akan terus berulang setiap kali rotor berevolusi. Frekuensi dari bentuk
gelombang sinusoidal ini dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:
Dengan :
f = frekuensi (Hz)
ns = kecepatan sinkron (rpm)
p = jumlah kutub
Oleh karena itu, untuk menghasilkan frekuensi sebesar 50 Hz, generator berkutub dua harus
berputar dengan kecepatan sebesar 3000 rpm, generator berkutub empat dengan kecepatan 1500
rpm, dan seterusnya.
Jika jumlah lilitan pada stator ditambah, seperti yang tergambar pada gambar 4 (a), dan jika
lilitan ini terpisah dengan jarak yang sama satu sama lain, maka keluaran tiga fasa sebagaimana
yang ditunjukkan pada gambar 4.4 (b) dapat dibangkitkan.
Gambar 4. Pembangkitan Tiga Fasa
Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Jika eind pada persamaan (4) di artikel sebelumnya dilambangkan dengan EApada bagian ini,
maka tegangan terminal generator satu fasa Vϕ akan sama dengan EA hanya jika generator
beroperasi dalam keadaan tanpa beban. Untuk kondisi berbeban, maka dua nilai tegangan ini
akan berbeda. Ada beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara nilai EA dan Vϕ, antara
lain:
1. Distorsi kepadatan fluks (medan magnet) celah udara oleh karena arus yang mengalir
pada stator yang disebut armature reaction (reaksi jangkar).
2. Induktansi diri dari lilitan jangkar
3. Resistansi dari lilitan jangkar.
Penyebab pertama yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi EA dan tegangan
keluaran generator Vϕ, dan biasanya merupakan sumber utama terjadinya perbedaan nilai
tersebut adalah reaksi jangkar. Ketika rotor generator diputar, tegangan EA akan diinduksikan
pada kumparan stator. Jika beban dipasang pada terminal generator, arus akan mengalir menuju
beban. Akan tetapi, arus tiga fasa stator yang mengalir akan menimbulkan medan magnet di
sekitar kumparan stator tersebut. Medan magnet stator yang menambah medan magnet rotor
menyebabkan perubahan tegangan keluaran generator. Peristiwa ini disebut dengan reaksi
jangkar karena arus jangkar (stator) mempengaruhi medan magnet yang pada mulanya
memproduksi arus jangkar tersebut.
Gambar 5. Model Reaksi Jangkar
Pada gambar 5 (a), digambarkan bahwa rotor berkutub dua diputar di dalam stator tiga fasa.
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka medan magnet BR akan menghasilkan tegangan
induksi EA, dengan nilai maksimum yang berimpitan dengan arah BR.
Jika diasumsikan sebuah beban induktif dipasang pada terminal generator, maka arus maksimum
akan tertinggal dari tegangan induksi maksimum. Pengaruh ini digambarkan pada gambar 5 (b).
Arus yang mengalir pada kumparan stator menghasilkan medan magnetnya sendiri. Medan
magnet stator ini disebut dengan BS dan mempunyai arah yang ditunjukkan pada gambar 5 (c).
Medan magnet BS menghasilkan tegangan sendiri, dan tegangan ini disebut dengan Estat dalam
gambar 5 (c).
Dengan adanya dua tegangan yang muncul pada kumparan stator, tegangan total merupakan
penjumlahan tegangan induksi EA dengan tegangan reaksi jangkar Estat.
VΦ =EA + Estat
Medan magnet total Bnet juga merupakan penjumlahan medan magnet rotor dan stator.
Bnet = Bs + Br
Karena sudut EA sama dengan sudut BR, dan sudut Estat juga sama dengan sudut BS, maka medan
magnet Bnet akan beririsan dengan Vϕ. Tegangan dan arus hasil reaksi jangkar ini ditunjukkan oleh
gambar 5 (d).
Pengaruh reaksi jangkar dapat direpresentasikan secara matematis dengan memperhatikan bahwa
tegangan Estat terletak 90o dibelakang arus IA, dan juga dengan memperhatikan bahwa besarnya
Estat berbanding lurus dengan arus IA. Jika X adalah konstanta proporsionalitas, maka tegangan
reaksi jangkar dapat dituliskan sebagai berikut:
VΦ =EA – jXIA
lain yang berpengaruh terhadap besarnya tegangan keluaran generator Vϕ adalah adanya
induktansi diri dan resistansi lilitan stator. Jika induktansi diri stator disebut LA(sehingga
reaktansinya disebut XA), sedangkan resistansinya dilambangkan dengan RA, maka perbedaan
total antara Vϕ dengan EA diberikan oleh persamaan berikut:
VΦ =EA – jXIA – jXAIA – RAIA
Jika diasumsikan bahwa reaktansi akibat reaksi jangkar dan reaktansi akibat induktansi diri
disebut dengan reaktansi sinkron XS, maka persamaan akhir untuk tegangan keluaran Vϕ menjadi:
VΦ =EA - jXSIA – RAIA
Dengan persamaan di atas, maka rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa dapat
digambarkan sebagai berikut:
Gambar 6. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa
Gambar 6 menunjukkan sebuah sumber arus searah yang menyuplai rangkaian medan rotor yang
dimodelkan dengan induktansi dan resistansi lilitan yang dipasang seri. Radj juga dipasang secara
seri dengan RF untuk mengendalikan besar aliran arus medan. Sedangkan gambar lainnya
merupakan representasi dari masing-masing fasa. Masing-masing fasa mempunyai tegangan
induksi yang dirangkai seri terhadap induktansi sinkron XS dan resistansi seri RA. Tegangan dan
arus dari rangkaian tiga fasa dalam kondisi yang seimbang mempunyai besar yang sama, tapi
terpisah pada sudutnya sejauh 120o satu sama lain.
Rangkaian tiga fasa dapat merupakan konfigurasi Y atau Δ. Jika konfigurasi rangkaian tiga fasa
berbentuk Y, maka tegangan terminal VT bernilai:
Sedangkan jika konfigurasi rangkaian tiga fasa berbentuk Δ, maka tegangan terminal VT bernilai:
Gambar 7.Rangkaian Ekivalen Generator dengan Konfigurasi (a) Y dan (b) Δ
Karena tiga fasa dari generator sinkron identik dalam semua hal kecuali sudut fasanya dalam
kondisi seimbang, maka akan lebih mudah menganalisa rangkaian ekivalen generator sinkron
dengan menggunakan rangkaian ekivalen tiap fasa yang ditunjukkan oleh gambar berikut:
Gambar 8. Rangkaian Ekivalen Per-fasa
Generator Sinkron
Diagram Fasor Generator Sinkron
Fasor digunakan untuk menggambarkan hubungan antara tegangan-tegangan arus bolak-balik.
Gambar 9 menunjukkan hubungan diantara tegangan-tegangan arus bolak balik tersebut ketika
generator mensuplai beban resistif murni (faktor daya nol). Total tegangan EA berbeda dari
tegangan terminal Vϕ karena adanya tegangan jatuh resistif dan induktif. Semua tegangan
direferensikan terhadap Vϕ yang diasumsikan bersudut 0o.
Gambar 9.Diagram Fasor Generator Sinkron dengan Faktor Daya Satu
Gambar 10 mengilustrasikan diagram fasor untuk generator yang beroperasi pada faktor daya
lagging dan leading. Perlu dicermati bahwa, untuk tegangan fasa dan arus jangkar yang sama,
beban lagging membutuhkan tegangan induksi EA yang lebih besar daripada beban leading. Oleh
karena itu, arus medan yang lebih besar dibutuhkan oleh beban lagging untuk mendapatkan
tegangan terminal yang sama dengan beban leading. Untuk arus medan dan besar arus beban
yang sama, tegangan terminal untuk beban lagging lebih kecil daripada beban leading.
Gambar 10. Diagram Fasor Generator
Sinkron pada Faktor Daya (a) Lagging dan (b) Leading
Pada mesin sinkron, besarnya resistansi RA sangatlah kecil dibandingkan dengan reaktansi
sinkron XS. Jika resistansi sinkron diabaikan, maka sebuah persamaan penting untuk
memperkirakan daya keluaran generator dapat diturunkan.
Gambar 11.Diagram Fasor yang Disederhanakan
Daya keluaran generator dirumuskan sebagai berikut:
Dari diagram fasor pada gambar 11 terlihat bahwa
Sehingga persamaan akhir untuk perkiraan daya keluaran generator adalah:
Pengaruh Perubahan Beban pada Generator yang Beroperasi
Sendiri
Ketika beban meningkat, daya aktif dan / atau daya reaktif yang diambil dari generator akan
meningkat. Peningkatan beban akan meningkatkan arus beban yang diambil dari generator. Jika
arus medan tidak diubah (fluks ϕ bernilai konstan) dan jika prime mover dijaga agar berputar
pada kecepatan mekanik yang konstan (sehingga frekuensinya tetap), maka besar dari tegangan
induksi (EA) akan bernilai konstan.
Jika generator beroperasi pada faktor daya lagging dan beban tambahan diberikan pada faktor
daya yang sama, maka besarnya IA akan meningkat dengan sudut θ di antara IA dan Vϕ yang tetap
konstan dan oleh karenanya, tegangan reaksi jangkar jXSIA juga akan meningkat dengan tetap
menjaga konstan sudutnya.
Karena
jXSIA bertambah, sedangkan besar dari EA tetap konstan (gambar 12 (a)). Maka, ketika beban
dengan faktor daya lagging bertambah, tegangan Vϕ turun dengan cukup tajam. Gambar 12 (b)
mengilustrasikan pengaruh ketika generator ditambah beban berfaktor daya satu dan terlihat
bahwa Vϕ turun sedikit. Gambar 12 (c) menggambarkan pengaruh ketika generator diberi beban
tambahan dengan faktor daya leading, yaitu mengakibatkan tegangan Vϕ menjadi naik.
Gambar 12.Pengaruh Penambahan Beban (a) Lagging, (b) Resistif Murni dan (c) Leading
terhadap Tegangan Terminal
Dalam kondisi operasi normal, diinginkan agar tegangan tetap konstan sekalipun beban berubahubah. Variasi tegangan terminal dapat diatasi dengan memvariasikan besar EA, yaitu dengan
memvariasikan medan magnet (dan juga fluks) generator. Sebagai contoh, ketika beban lagging
ditambahkan pada generator, tegangan terminal akan turun. Dengan memperbesar arus medan IF
melalui pengaturan sistem eksitasi maka EA akan meningkat karena meningkatnya fluks
sehingga, pada akhirnya tegangan terminal juga akan meningkat. Proses ini akan terbalik untuk
menurunkan tegangan terminal.
Pengaruh perubahan beban terhadap tegangan terminal generator secara ringkas dapat dilihat
pada gambar berikut ini
Gambar 13. Kurva Karakteristik Generator
dalam Kondisi Berbeban
Sinkronisasi Generator dengan Jaringan Listrik
Untuk mensikronisasikan generator dengan jaringan listrik, (gambar 14) ada empat kondisi yang
harus dipenuhi, yaitu:
Gambar 14.Sinkronisasi Generator ke Jaringan Listrik
Urutan fasa generator harus sama dengan
urutan fasa jaringan listrik.
Besar tegangan sinusoidal yang dihasilkan
generator harus sama dengan besar tegangan
sinusoidal jaringan listrik.
Frekuensi tegangan sinusoidal yang dihasilkan
oleh generator harus sama dengan frekuensi
tegangan sinusoidal jaringan listrik.
Beda sudut fasa antara tegangan yang
dihasilkan oleh generator dan tegangan yang
dihasilkan oleh jaringan harus bernilai nol.
Secara praktis, suatu instrumen yang dinamakan synchroscope digunakan untuk mengukur
perbedaan sudut fasa antara tegangan generator dengan tegangan jaringan. Selain itu, dua buah
voltmeter juga digunakan untuk memastikan tegangan generator dan tegangan jaringan bernilai
sama.
Gambar 15. Synchroscope
Posisi jarum penunjuk synchroscope, yang mengindikasikan perbedaan sudut fasa antara
tegangan generator dengan tegangan jaringan, akan berada pada posisi vertikal atau berada pada
posisi pukul 12.00 jika perbedaan fasa antar keduanya bernilai nol.
Kecepatan rotasi jarum penunjuk mengindikasikan perbedaan frekuensi dari dua tegangan. Jarum
penunjuk akan berotasi pada arah slow ketika frekuensi generator lebih rendah dari frekuensi
jaringan. Sebaliknya, jarum penunjuk akan berotasi pada arah fast ketika frekuensi generator
lebih tinggi daripada frekuensi jaringan.
Dalam prakteknya, synchronizing breaker ditutup ketika posisi jarum penunjuk sedikit berada
pada arah fast, yaitu ketika frekuensi generator sedikit lebih tinggi daripada frekuensi jaringan,
untuk memberikan waktu bagi penutupan breaker dan memastikan generator tidak berperilaku
sebagai motor sesaat setelah breaker ditutup.
Operasi Paralel Generator pada Infnnite Bus
Generator sinkron yang dihubungkan dengan sistem tenaga listrik yang berkapasitas sangat besar
hanya akan memberikan sedikit sekali pengaruh pada sistem tenaga listrik tersebut. Kenyataan
ini kemudian diidealisasikan menjadi konsep infinite bus. Infinite bus adalah sistem tenaga listrik
yang sangat besar dimana tegangan dan frekuensinya tidak berubah, tidak peduli seberapa
banyak daya aktif dan daya reaktif yang diambil dari atau disuplai ke sistem tenaga listrik
tersebut. Jika generator yang mempunyai kapasitas lebih kecil dari 5% kapasitas sistem tenaga
listrik dihubungkan pada sistem tersebut, maka dapat diasumsikan bahwa generator tersebut
dihubungkan dengan infinite bus. Karakteristik daya aktif-frekuensi dan daya reaktif-tegangan
dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Gambar 16.Kurva (a) Frekuensi Vs. Daya dan (b) Tegangan Terminal Vs Daya Reaktif pada
Infinite Bus
Jika generator telah diparalelkan dengan infinite bus, generator akan mensuplai sejumlah kecil
daya nyata dengan sedikit atau tidak mensuplai daya reaktif. Hal ini dapat digambarkan dalam
house diagram seperti gambar 17
Gambar 17. Diagram Frekuensi Vs Daya Sesaat Setelah Diparalelkan
Jika generator yang telah diparalel mempunyai frekuensi yang lebih rendah daripada frekuensi
sistem (gambar 18), frekuensi no-load generator akan lebih kecil daripada frekuensi operasi
sistem. Pada keadaan ini, daya yang disuplai oleh generator bernilai negatif (generator
mengkonsumsi energi listrik karena beroperasi sebagai motor). Oleh karena itu, generator yang
diparalelkan pada sistem harus mempunyai frekuensi yang sedikit lebih tinggi daripada frekuensi
sistem untuk memastikan bahwa generator akan mensuplai daya dan tidak mengkonsumsi daya.
Gambar 18. Diagram Frekuensi Vs Daya
Jika Frekuensi No-Load Lebih Rendah daripada Frekuensi Sistem
Ketika governor setpoint ditingkatkan untuk menggeser frekuensi no-load generator ke atas,
frekuensi sistem akan tetap konstan (frekuensi infinite bus tidak akan berubah) sehingga daya
keluaran generator meningkat. House diagram dan diagram fasor yang mengilustrasikan hal ini
dapat dilihat pada gambar 19 (a)
Gambar 19. Pengaruh Peningkatan Governor Setpoint pada (a) House Diagram dan (b)
Diagram Fasor
Dari diagram fasor pada gambar 19 (b) terlihat bahwa besar EA tetap konstan karena IF dan ω
tidak berubah, sedangkan EA sin δ (yang besarnya proporsional terhadap daya keluaran generator
sepanjang VT tetap konstan) meningkat. Ketika governor setpoint ditingkatkan, frekuensi no-load
dan daya keluaran generator akan kembali meningkat. Seiring peningkatan daya, besarnya EA
akan tetap konstan, sedangkan EA sin δ akan terus meningkat.
Gambar 19 (b) mengilustrasikan diagram fasor generator ketika daya aktif telah disesuaikan pada
nilai yang dibutuhkan. Terlihat pula pada diagram fasor, bahwa generator mempunyai faktor
daya leading, yang berarti generator mengkonsumsi daya reaktif. Untuk menyesuaikan faktor
daya agar generator dapat mensuplai daya reaktif, maka penyesuaian besar arus medan juga
diperlukan dengan menjaga daya aktif tetap bernilai konstan.
Daya aktif akan tetap bernilai konstan sekalipun besar arus medan diubah-ubah karena hal
berikut:
Besar daya masukan generator adalah Pin =
τindωm
Prime mover mempunyai karakteristik torsikecepatan yang tetap untuk governor setting
yang tertentu, dan kurva karakteristik ini
hanya akan berubah jika governor set point
diubah.
Karena generator dihubungkan dengan infinite
bus, kecepatannya tidak dapat berubah. Jika
kecepatan generator tidak berubah dan
governor set point tidak diubah, daya yang
disuplai generator akan tetap konstan.
Karena daya yang disuplai tidak berubah
ketika arus medan disesuaikan nilainya, maka
IA cosθ dan EA sin δ (yang proporsional
terhadap daya) tidak akan berubah.
Oleh karena hal tersebut di atas ketika arus medan ditingkatkan, fluks ϕ meningkat, sehingga EA
meningkat. Jika EA meningkat, tetapi EA sin δ tetap konstan, maka fasor EA akan bergeser
sepanjang garis daya konstan sebagaimana terlihat pada gambar 20 . Karena Vϕ bernilai konstan,
sudut dari jXSIA berubah, sehingga besar IA akan berubah. Jika diperhatikan, maka hasil akhir dari
peningkatan arus medan adalah jarak yang proporsional terhadap Q (IA sinθ) akan meningkat.
Atau dengan kata lain dapat disimpulkan bahwa, peningkatan arus medan pada generator sinkron
yang bekerja paralel terhadap infinite bus akan meningkatkan daya reaktif keluaran generator.
Gambar 20. Pengaruh Peningkatan Arus Medan Generator
Sistem Eksitasi Generator Sinkron
Sistem eksitasi merupakan sistem pemberian arus searah pada kumparan medan yang terdapat
pada rotor generator guna menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar yang terdapat
pada stator generator.
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi dapat
dibagi menjadi dua jenis, yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikatdan sistem eksitasi
tanpa sikat. Sistem eksitasi dengan menggunakan sikat terdiri dari:
1.
Sistem eksitasi dengan menggunakan
generator arus searah
2.
Sistem eksitasi statis
Sedangkan sistem eksitasi tanpa sikat terdiri dari:
1.
Sistem eksitasi tanpa menggunakan pilot
exciter
2.
Sistem eksitasi dengan menggunakan pilot
exciter
Sistem
Eksitasi
dengan
Generator
Arus
Searah
Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah merupakan sistem eksitasi
konvensional, dimana arus searah yang dialirkan pada kumparan rotor diperoleh dari generator
arus searah yang terkopel dalam satu poros dengan generator sinkron.
Arus searah yang dihasilkan oleh generator arus searah ini dialirkan pada kumparan rotor melalui
sikat dan slip ring untuk menghasilkan tegangan induksi pada kumparan stator (jangkar)
generator sinkron.
Gambar 21.Sistem Eksitasi dengan Generator Arus Searah
Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah ini mempunyai beberapa kelemahan,
antara lain:
Generator arus searah yang terkopel pada
poros yang sama dengan generator sinkron
menjadi beban tambahan bagi prime mover.
Penggunaan sikat untuk menyalurkan arus
searah pada rotor generator sinkron maupun
sikat yang terdapat pada generator arus
searah itu sendiri mengakibatkan adanya
tegangan jatuh pada sikat yang menyebabkan
rugi-rugi daya yang cukup besar.
Penggunaan sikat dan slip ring membutuhkan
perawatan yang tinggi karena sikat harus
diperiksa secara teratur.
Selain itu, generator arus searah sendiri
mempunyai keandalan yang rendah.
Oleh karena masalah-masalah tersebut, maka dikembangkan sistem eksitasi lain, yaitu sistem
eksitasi statis, untuk meningkatkan sistem eksitasi yang masih menggunakan sikat ini.
Sistem Eksitasi Statis
Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak, yang berarti bahwa
peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama rotor generator sinkron. Pada sistem eksitasi ini,
generator tambahan tidak lagi diperlukan dan sebagai gantinya, sumber eksitasi berasal dari
keluaran generator sinkron itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan
rectifiier.
Gambar 22. Sistem Eksitasi Statis
Sistem eksitasi statis mempunyai kualitas yang lebih baik daripada sistem eksitasi konvensional
dengan menggunakan generator arus searah. Namun, penggunaan sikat masih menjadi
permasalahan pada sistem eksitasi ini.
Sistem Eksitasi tanpa Sikat tanpa
Pnilot
Excniter
Sistem eksitasi ini menyalurkan arus searah pada kumparan rotor tanpa menggunakan sikat.
Sistem eksitasi ini terdiri dari sebuah generator arus bolak-balik yang mempunyai kumparan
medan yang terletak pada stator dan kumparan jangkar yang terletak pada poros rotor.
Sejumlah kecil arus tiga fasa disearahkan dan digunakan untuk mensuplai kumparan medan pada
exciter yang terletak di stator. Keluaran kumparan jangkar exciter (pada rotor)disearahkan
menjadi arus searah dengan menggunakan rectifier tiga fasa yang juga terpasang pada poros
rotor dan kemudian dialirkan ke kumparan medan utama. Besarnya arus medan yang dialirkan
menuju rotor generator utama dapat dikendalikan dengan sejumlah kecil arus medan exciter yang
terletak pada stator.
Gambar 23. Sistem Eksitasi tanpa Sikat tanpa Pilot Exciter
Sistem eksitasi tanpa sikat membutuhkan perawatan yang lebih sedikit dibandingkan dengan
sistem eksitasi dengan menggunakan sikat karena tidak adanya kontak mekanis antara rotor
dengan stator.
Sistem
Eksitasi
tanpa
Sikat
dengan
Menggunakan Pnilot Excniter
Sistem eksitasi tanpa sikat dapat dibuat sama sekali tidak bergantung pada sumber listrik
eksternal dengan menggunakan pilot exciter berukuran kecil. Pilot exciter terdiri dari sebuah
generator arus bolak-balik dengan magnet permanen yang terpasang pada poros rotor dan
kumparan tiga fasa pada stator. Pilot exciter menghasilkan daya yang dibutuhkan oleh rangkaian
medan exciter yang digunakan untuk mengendalikan rangkaian medan generator utama. Ketika
pilot exciter digunakan, generator dapat beroperasi tanpa sumber listrik dari luar.
Gambar 24. Sistem Eksitasi tanpa Sikat dengan Menggunakan Pilot Excite