Analisis Perbandingan Temperatur Generator Sinkron Tiga Phasa Pada Kondisi Beban Seimbang Dan Tidak Seimbang Menggunakan Thermometer Infrared
BAB II
GENERATOR SINKRON
2.1
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 bolakbalik ini disebut sinkron karena rotor berputar secara sinkron atau berputar dengan
kecepatan yang sama dengan kecepatan medan magnet putar.
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 120o satu sama lain, sehingga tegangan yang diinduksikan akan terpisah
sejauh 120o satu sama lain.
7
Universitas Sumatera Utara
2.2
Konstruksi Generator Sinkron
Generator sinkron mempunyai dua komponen utama yaitu stator (bagian
yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Bentuk gambaran sederhana
konstruksi generator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 konstruksi sederhana generator sinkron
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.
8
Universitas Sumatera Utara
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.
9
Universitas Sumatera Utara
2.3
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Gambar 2.2
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Secara umum, Prinsip kerja generator sinkron sebagai berikut:
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan.
Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka
akan menimbulkan fluks.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
3. Perputaran rotor akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh
kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor akan
diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar
yang terletak pada stator akan menghasilkan fluks magnetik yang berubahubah besarnya terhdap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang
melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan GGL induksi pada ujung
kumparan tersebut.
10
Universitas Sumatera Utara
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:
2.1
f = frekuensi listrik (Hz)
n = kecepatan putar rotor (rpm)
p = jumlah kutub magnet
P/2 = 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 berputardengan
kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub,
rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.4
Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang
mengalir melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara
hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus
11
Universitas Sumatera Utara
jangkar Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini
kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan
berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian
dikenal sebagai reaksi jangkar. Model reaksi jangkar tampak pada Gambar 2.3.
Pengaruh yang ditimbulkan oleh fluksi jangkar dapat berupa distorsi,
penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan
pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung
kepada beban dan faktor daya beban, yaitu :
a. Untuk beban resistif (cosφ = 1 )
Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas
mendistorsinya
saja
tanpa
mempengaruhi
kekuatannya
(cross
magnetising).
b. Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)
Arus akan tertinggal sebesar
dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan
oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain
reaksi jangkar akan demagnetising artinya pengaruh raksi jangkar akan
melemahkan fluksi arus medan.
c. Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
Arus akan mendahului tegangan sebesar
. Fluksi yang dihasilkan oleh
arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar
yang terjadi akan magnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan
menguatkan fluksi arus medan.
12
Universitas Sumatera Utara
d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagian magnetising dan sebagian
demagnetising. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan
sebagian distortif dan sebagian magnetising. Sementara itu saat beban
adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian
demagnetising. Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.
Gambar 2.3. Model Reaksi Jangkar
Keterangan gambar :
a)
Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi
b)
Tegangan resultan menghasilkan arus lagging saat generator berbeban
induktif
c)
Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri
dan tegangan
pada belitan stator
13
Universitas Sumatera Utara
d)
Vektor penjumlahan
penjumlahan
2.5
dan
dan
yang menghasilkan
dan
menghasilkan VΦ pada outputnya.
Generator Sinkron Tanpa Beban
Dengan memutar generator sinkron pada kecepatan sinkron dan rotor
diberi arus medan (If), maka tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan
jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
E0 = c.n.Φ
Dimana :
...................
2.2
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
Φ = fluks yang dihasilkan oleh If
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh
arus medan (If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh
harga E0 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 2.4 berikut.
(a)
Gambar 2.4
(b)
(a) Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban
14
Universitas Sumatera Utara
Persamaan umum generator tanpa beban adalah :
E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Dimana:
...................
2.3
Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt)
VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm)
Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)
2.6
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 (Ra)
• Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (XL)
• Jatuh tegangan karena reaksi Jangkar
Gambar
rangkaian
dan
karakteristik
generator
sinkron
berbeban
diperlihatkan pada gambar 2.5 berikut ini.
(b)
(b)
Gambar 2.5 (a) Kurva Karakteristik Generator Berbeban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Berbeban
15
Universitas Sumatera Utara
Persamaan tegangan pada generator berbeban adalah:
Dimana:
Ea = VΦ + IaRa + j IaXs
...................
2.4
Xs = XL + Xa
...................
2.5
Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt)
VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm)
Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)
XL = reaktansi bocor per phasa (ohm)
Xa = reaktansi reaksi jangkar per phasa (ohm)
2.7
Generator Sinkron Tiga Phasa Beban Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana :
1.
Ketiga vektor arus dan tegangan sama besar
2.
Ketiga vektor saling membentuk sudut
satu sama lain.
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung Y dapat dilihat pada
Gambar 3.1.
Gambar 2.6. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung Y Beserta
Diagram Fasornya
16
Universitas Sumatera Utara
Pada keadaan seimbang, impedansi beban pada masing-masing fasanya
adalah sama besar, sehingga dapat dituliskan seperti Persamaan 2.6 berikut :
̃
̃
̃
...................
2.6
Dalam hubungan Y, arus line sama dengan arus fasa, hal tersebut dapat
ditentukan dengan Persamaan 2.7, Persamaan 2.8 dan Persamaan 2.9 berikut :
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑⃑
⃑
...................
2.7
⃑⃑
...................
2.8
⃑⃑
⃑
...................
2.9
⃑
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung delta (∆) dapat dilihat pada
Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung ∆ Beserta
Diagram Fasornya
Dalam hubungan ∆ , arus fasa dapat ditentukan dengan Persamaan 2.10,
Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12 berikut :
⃑
⃑⃑
...................
⃑
2.10
17
Universitas Sumatera Utara
⃑
⃑
⃑⃑
⃑
...................
2.11
⃑⃑
⃑
...................
2.12
Sedangkan untuk arus linenya dapat ditentukan dengan menerapkan
hukum Kirchoff seperti tampak pada Persamaan 2.13, Persamaan 2.14 dan
Persamaan 2.15 berikut :
⃑
⃑
⃑
2.8
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
...................
2.10
...................
2.11
...................
2.12
Generator Sinkron Tiga Phasa Beban Tidak Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan yang tidak seimbang adalah keadaan
dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak dipenuhi.
Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada tiga yaitu :
1.
Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut
satu sama
lain.
2.
Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut
satu sama
lain.
3.
Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut
satu
sama lain.
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 : (a) Menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang.
Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS ,
IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (I).
Sedangkan pada,
(b) Menunjukkan N vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di
sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT )
tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus
netral (IN) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor
ketidakseimbangannya.
19
Universitas Sumatera Utara
Penyelesaian beban tidak seimbang untuk hubungan delta dapat disamakan
dengan keadaan seimbang. Sedangkan untuk hubungan bintang, penyelesaiannya
adalah sebagai berikut :
Pada sistem 3 fasa – 4 kawat, masing – masing fasa akan mengalirkan arus
yang tidak seimbang menuju netral. Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat,
akan menghasilkan tegangan pada beban yang berubah cukup signifikan dan
memunculkan suatu netral yang berbeda dari netral yang semestinya.
Gambar 2.9. Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang Terhubung Bintang Pada
Sistem Tiga Fasa - Empat Kawat dan Sistem Tiga Fasa - Tiga Kawat
Berdasarkan Gambar 2.9 diatas, pada sistem tiga fasa - empat kawat
berlaku persamaan-persamaan seperti Persamaan 2.13, Persamaan 2.14,
Persamaan 2.15 dan Persamaan 2.16 berikut :
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑⃑
⃑
...................
2.13
⃑⃑
⃑
...................
2.14
⃑⃑
...................
2.15
...................
2.16
⃑
⃑
⃑
⃑
20
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat, rangkaian tersebut dapat
diselesaikan dengan persamaan loop berikut ini :
(⃑⃑
⃑⃑ ) ⃑
⃑⃑ ⃑
⃑⃑
...................
2.17
...................
2.18
Dari Persamaan 2.17 dan Persamaan 2.18 dapat dicari fasor
dan
Loop 1 :
Loop 2 :
⃑ ⃑
(⃑
⃑ )⃑
⃑⃑
,
kemudian arus line dapat dicari dengan Persamaan 2.19, Persamaan 2.20 dan
Persamaan 2.21 berikut ini :
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
...................
2.19
...................
2.20
...................
2.21
Sedangkan tegangan pada setiap impedansi beban dapat ditulis seperti
pada Persamaan 2.22, Persamaan 2.23 dan Persamaan 2.24 berikut ini :
⃑⃑
⃑⃑
⃑⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
...................
2.22
...................
2.23
⃑
...................
2.24
⃑
Dalam penulisan ini, rugi-rugi tembaga kumparan jangkar pada kondisi
tidak seimbang dianalisa dengan metode komponen simetris. Oleh karena itu,
diperlukan uraian mengenai metode komponen simetris.
2.9
Rating Temperatur dan Metode Pengukuran Temperatur Generator
Sinkron
National Electrical Manufacturing Association (NEMA) mendefinisikan
temperature rise adalah kenaikan temperatur diatas temperature ambient.
Temperature ambient yaitu temperatur udara disekeliling motor atau dapat
21
Universitas Sumatera Utara
dikatakan sebagai suhu ruangan. Penjumlahan dari temperature rise dan
temperature ambient adalah panas keseluruhan panas pada motor. Kelas isolasi
temperature pada Generator sinkron dijelaskan oleh tabel berikut :
Tabel 2.1 Temperature rise for large motors with 1.0 sevice factor
Insulation Class and Temperatur
Rise 0C
A
B
F
H
No
Motor Rating
1
All horsepower (or kW) ratings
60
80
105
125
2
1500 hp (1120 kW) and less
70
90
115
140
3
Over 1500 hp (1120 kW) and 7000
volt or less
65
85
110
135
4
Over 1500 hp (1120 kW) and over
7000 volt
60
80
105
125
Faktor penyebab rusaknya isolasi winding adalah panas yang berlebih
pada motor. Panas berlebih yang berlangsung lama pada lilitan akan
menyebabkan stress pada lilitan dan isolasi kawat menjadi rapuh. Jika dibiarkan
terlalu lama akan menyebabkan isolasi pada lilitan akan retak. Jika gejala ini
disertai dengan munculnya partial discharge maka proses penuaan isolasi akan
semakin cepat. Berdasarkan penelitian NEMA usia dari isolasi winding akan
berkurang setengahnya setiap kenaikan 100C dari kondisi normal kerja motor.
Akan tetapi jika generator harus beroperasi 400C di atas temperature normal
maka umur isolasinya menjadi 1/16 dari umur normal yang diperkirakan. Oleh
sebab itu mesin-mesin listrik yang digunakan pada dunia industri menggunakan
alat proteksi untuk mengatasi panas lebih pada motor seperti thermal overload
relay. Sehingga apabila terjadi overheating pada motor relai akan segera bekerja
sehinngga dapat meminimalkan kerusakan pada isolasi motor.
22
Universitas Sumatera Utara
Berikut ini adalah metode dalam menentukan temperatur generator sinkron
[4] yaitu :
a.
Menggunakan thermocouple
Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan
termokopel, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian terpanas dari
mesin yang dapat diakses .
b. Mengunakan Embedded Detector
Metode ini adalah penentuan suhu dengan termokopel atau resistensi
detektor suhu yang diletakkan ke dalam mesin sesuai dengan ANSI C50.10-1977
atau NEMA MG1-1978
c.
Mengukur Tahanan Lilitan motor
Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan
tahanan lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan dengan tahanan
yang sudah diketahui temperaturnya. Temperature tahanan yang ingin ditentukan
dapat dihitung dengan persamaaan :
(
...................
)
2.25
Dimana : Tt : Temperatur total lilitan (oC)
Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oC)
Rt : Tahanan pada saat motor panas (ohm)
Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm)
K : 234.5 ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oC)
225 ( konstanta untuk bahan aluminium ) (oC)
23
Universitas Sumatera Utara
d.
Menggunakan Pendeteksi Temperatur Lokal
Dengan pendeteksi temperature lokal berbagai panas bagian mesin dapat
ditentukan dengan menggunakan detektor ini. Detektor ini ditempatkan di dekat
bagian dimana suhu lokal akan diukur . Contoh detektor suhu local, sensor
inframerah, termokopel, termometer resistensi kecil, dan termistor. Detector ini
sering dipasang sebagai bagian permanen dari mesin.
2.10
-
Thermometer Infrared
PRINSIP KERJA
Termometer inframerah mengukur permukaan temperatur dari benda
(target). Optik dari termometer mendeteksi energi inframerah yang telah
dikumpulkan dan difokuskan pada detrektor dan diterjemahkan ke dalam bentuk
informasi suhu yang dapat dibaca di display (interface). Laser disini hanya
digunakan untuk membidisk target yang akan diukur.
-
AKURASI
Termometer inframerah ditandai dengan spesifikasi termasuk akurasi dan
cakupan sudut. Instrumen sederhana mungkin memiliki kesalahan pengukuran
sekitar ± 2 ° C / ± 4 ° F).
-
Kelebihan Termometer Infra merah
1. Non-kontak pengukuran temperatur tidak berpengaruh pada objek yang
diukur.
2. cepat respon dan pergerakan benda dapat diukur dan suhu transien.
3. keakuratan pengukuran, resolusi tinggi kecil.
4. rentang pengukuran besar
24
Universitas Sumatera Utara
5. suhu pengukuran wilayah kecil.
6. bisa menjadi titik waktu yang sama, garis, suhu permukaan.
7. dapat diukur suhu mutlak, kelembaban relatif dapat diukur.
-
kelemahan Termometer Infra merah
1. Paparan terhadap pengaruh temperatur pada suhu objek yang diukur.
2. Tidak cocok untuk mengukur suhu transien.
3. Tidak mudah untuk mengukur benda bergerak.
4. Rentang pengukuran tidak cukup luas, dan perlengkapan.
5. Tidak cocok untuk mengukur beracun, tekanan tinggi, dan kesempatan
berbahaya.
25
Universitas Sumatera Utara
GENERATOR SINKRON
2.1
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 bolakbalik ini disebut sinkron karena rotor berputar secara sinkron atau berputar dengan
kecepatan yang sama dengan kecepatan medan magnet putar.
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 120o satu sama lain, sehingga tegangan yang diinduksikan akan terpisah
sejauh 120o satu sama lain.
7
Universitas Sumatera Utara
2.2
Konstruksi Generator Sinkron
Generator sinkron mempunyai dua komponen utama yaitu stator (bagian
yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Bentuk gambaran sederhana
konstruksi generator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 konstruksi sederhana generator sinkron
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.
8
Universitas Sumatera Utara
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.
9
Universitas Sumatera Utara
2.3
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Gambar 2.2
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Secara umum, Prinsip kerja generator sinkron sebagai berikut:
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan.
Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka
akan menimbulkan fluks.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
3. Perputaran rotor akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh
kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor akan
diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar
yang terletak pada stator akan menghasilkan fluks magnetik yang berubahubah besarnya terhdap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang
melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan GGL induksi pada ujung
kumparan tersebut.
10
Universitas Sumatera Utara
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:
2.1
f = frekuensi listrik (Hz)
n = kecepatan putar rotor (rpm)
p = jumlah kutub magnet
P/2 = 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 berputardengan
kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub,
rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.4
Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang
mengalir melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara
hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus
11
Universitas Sumatera Utara
jangkar Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini
kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan
berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian
dikenal sebagai reaksi jangkar. Model reaksi jangkar tampak pada Gambar 2.3.
Pengaruh yang ditimbulkan oleh fluksi jangkar dapat berupa distorsi,
penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan
pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung
kepada beban dan faktor daya beban, yaitu :
a. Untuk beban resistif (cosφ = 1 )
Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas
mendistorsinya
saja
tanpa
mempengaruhi
kekuatannya
(cross
magnetising).
b. Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)
Arus akan tertinggal sebesar
dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan
oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain
reaksi jangkar akan demagnetising artinya pengaruh raksi jangkar akan
melemahkan fluksi arus medan.
c. Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
Arus akan mendahului tegangan sebesar
. Fluksi yang dihasilkan oleh
arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar
yang terjadi akan magnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan
menguatkan fluksi arus medan.
12
Universitas Sumatera Utara
d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagian magnetising dan sebagian
demagnetising. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan
sebagian distortif dan sebagian magnetising. Sementara itu saat beban
adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian
demagnetising. Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.
Gambar 2.3. Model Reaksi Jangkar
Keterangan gambar :
a)
Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi
b)
Tegangan resultan menghasilkan arus lagging saat generator berbeban
induktif
c)
Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri
dan tegangan
pada belitan stator
13
Universitas Sumatera Utara
d)
Vektor penjumlahan
penjumlahan
2.5
dan
dan
yang menghasilkan
dan
menghasilkan VΦ pada outputnya.
Generator Sinkron Tanpa Beban
Dengan memutar generator sinkron pada kecepatan sinkron dan rotor
diberi arus medan (If), maka tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan
jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
E0 = c.n.Φ
Dimana :
...................
2.2
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
Φ = fluks yang dihasilkan oleh If
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh
arus medan (If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh
harga E0 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 2.4 berikut.
(a)
Gambar 2.4
(b)
(a) Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban
14
Universitas Sumatera Utara
Persamaan umum generator tanpa beban adalah :
E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Dimana:
...................
2.3
Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt)
VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm)
Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)
2.6
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 (Ra)
• Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (XL)
• Jatuh tegangan karena reaksi Jangkar
Gambar
rangkaian
dan
karakteristik
generator
sinkron
berbeban
diperlihatkan pada gambar 2.5 berikut ini.
(b)
(b)
Gambar 2.5 (a) Kurva Karakteristik Generator Berbeban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Berbeban
15
Universitas Sumatera Utara
Persamaan tegangan pada generator berbeban adalah:
Dimana:
Ea = VΦ + IaRa + j IaXs
...................
2.4
Xs = XL + Xa
...................
2.5
Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt)
VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm)
Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)
XL = reaktansi bocor per phasa (ohm)
Xa = reaktansi reaksi jangkar per phasa (ohm)
2.7
Generator Sinkron Tiga Phasa Beban Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana :
1.
Ketiga vektor arus dan tegangan sama besar
2.
Ketiga vektor saling membentuk sudut
satu sama lain.
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung Y dapat dilihat pada
Gambar 3.1.
Gambar 2.6. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung Y Beserta
Diagram Fasornya
16
Universitas Sumatera Utara
Pada keadaan seimbang, impedansi beban pada masing-masing fasanya
adalah sama besar, sehingga dapat dituliskan seperti Persamaan 2.6 berikut :
̃
̃
̃
...................
2.6
Dalam hubungan Y, arus line sama dengan arus fasa, hal tersebut dapat
ditentukan dengan Persamaan 2.7, Persamaan 2.8 dan Persamaan 2.9 berikut :
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑⃑
⃑
...................
2.7
⃑⃑
...................
2.8
⃑⃑
⃑
...................
2.9
⃑
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung delta (∆) dapat dilihat pada
Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung ∆ Beserta
Diagram Fasornya
Dalam hubungan ∆ , arus fasa dapat ditentukan dengan Persamaan 2.10,
Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12 berikut :
⃑
⃑⃑
...................
⃑
2.10
17
Universitas Sumatera Utara
⃑
⃑
⃑⃑
⃑
...................
2.11
⃑⃑
⃑
...................
2.12
Sedangkan untuk arus linenya dapat ditentukan dengan menerapkan
hukum Kirchoff seperti tampak pada Persamaan 2.13, Persamaan 2.14 dan
Persamaan 2.15 berikut :
⃑
⃑
⃑
2.8
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
...................
2.10
...................
2.11
...................
2.12
Generator Sinkron Tiga Phasa Beban Tidak Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan yang tidak seimbang adalah keadaan
dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak dipenuhi.
Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada tiga yaitu :
1.
Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut
satu sama
lain.
2.
Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut
satu sama
lain.
3.
Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut
satu
sama lain.
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 : (a) Menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang.
Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS ,
IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (I).
Sedangkan pada,
(b) Menunjukkan N vektor diagram arus yang tidak seimbang. Di
sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS, IT )
tidak sama dengan nol sehingga muncul sebuah besaran yaitu arus
netral (IN) yang besarnya bergantung dari seberapa besar faktor
ketidakseimbangannya.
19
Universitas Sumatera Utara
Penyelesaian beban tidak seimbang untuk hubungan delta dapat disamakan
dengan keadaan seimbang. Sedangkan untuk hubungan bintang, penyelesaiannya
adalah sebagai berikut :
Pada sistem 3 fasa – 4 kawat, masing – masing fasa akan mengalirkan arus
yang tidak seimbang menuju netral. Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat,
akan menghasilkan tegangan pada beban yang berubah cukup signifikan dan
memunculkan suatu netral yang berbeda dari netral yang semestinya.
Gambar 2.9. Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang Terhubung Bintang Pada
Sistem Tiga Fasa - Empat Kawat dan Sistem Tiga Fasa - Tiga Kawat
Berdasarkan Gambar 2.9 diatas, pada sistem tiga fasa - empat kawat
berlaku persamaan-persamaan seperti Persamaan 2.13, Persamaan 2.14,
Persamaan 2.15 dan Persamaan 2.16 berikut :
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑⃑
⃑
...................
2.13
⃑⃑
⃑
...................
2.14
⃑⃑
...................
2.15
...................
2.16
⃑
⃑
⃑
⃑
20
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat, rangkaian tersebut dapat
diselesaikan dengan persamaan loop berikut ini :
(⃑⃑
⃑⃑ ) ⃑
⃑⃑ ⃑
⃑⃑
...................
2.17
...................
2.18
Dari Persamaan 2.17 dan Persamaan 2.18 dapat dicari fasor
dan
Loop 1 :
Loop 2 :
⃑ ⃑
(⃑
⃑ )⃑
⃑⃑
,
kemudian arus line dapat dicari dengan Persamaan 2.19, Persamaan 2.20 dan
Persamaan 2.21 berikut ini :
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
...................
2.19
...................
2.20
...................
2.21
Sedangkan tegangan pada setiap impedansi beban dapat ditulis seperti
pada Persamaan 2.22, Persamaan 2.23 dan Persamaan 2.24 berikut ini :
⃑⃑
⃑⃑
⃑⃑
⃑
⃑
⃑
⃑
...................
2.22
...................
2.23
⃑
...................
2.24
⃑
Dalam penulisan ini, rugi-rugi tembaga kumparan jangkar pada kondisi
tidak seimbang dianalisa dengan metode komponen simetris. Oleh karena itu,
diperlukan uraian mengenai metode komponen simetris.
2.9
Rating Temperatur dan Metode Pengukuran Temperatur Generator
Sinkron
National Electrical Manufacturing Association (NEMA) mendefinisikan
temperature rise adalah kenaikan temperatur diatas temperature ambient.
Temperature ambient yaitu temperatur udara disekeliling motor atau dapat
21
Universitas Sumatera Utara
dikatakan sebagai suhu ruangan. Penjumlahan dari temperature rise dan
temperature ambient adalah panas keseluruhan panas pada motor. Kelas isolasi
temperature pada Generator sinkron dijelaskan oleh tabel berikut :
Tabel 2.1 Temperature rise for large motors with 1.0 sevice factor
Insulation Class and Temperatur
Rise 0C
A
B
F
H
No
Motor Rating
1
All horsepower (or kW) ratings
60
80
105
125
2
1500 hp (1120 kW) and less
70
90
115
140
3
Over 1500 hp (1120 kW) and 7000
volt or less
65
85
110
135
4
Over 1500 hp (1120 kW) and over
7000 volt
60
80
105
125
Faktor penyebab rusaknya isolasi winding adalah panas yang berlebih
pada motor. Panas berlebih yang berlangsung lama pada lilitan akan
menyebabkan stress pada lilitan dan isolasi kawat menjadi rapuh. Jika dibiarkan
terlalu lama akan menyebabkan isolasi pada lilitan akan retak. Jika gejala ini
disertai dengan munculnya partial discharge maka proses penuaan isolasi akan
semakin cepat. Berdasarkan penelitian NEMA usia dari isolasi winding akan
berkurang setengahnya setiap kenaikan 100C dari kondisi normal kerja motor.
Akan tetapi jika generator harus beroperasi 400C di atas temperature normal
maka umur isolasinya menjadi 1/16 dari umur normal yang diperkirakan. Oleh
sebab itu mesin-mesin listrik yang digunakan pada dunia industri menggunakan
alat proteksi untuk mengatasi panas lebih pada motor seperti thermal overload
relay. Sehingga apabila terjadi overheating pada motor relai akan segera bekerja
sehinngga dapat meminimalkan kerusakan pada isolasi motor.
22
Universitas Sumatera Utara
Berikut ini adalah metode dalam menentukan temperatur generator sinkron
[4] yaitu :
a.
Menggunakan thermocouple
Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan
termokopel, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian terpanas dari
mesin yang dapat diakses .
b. Mengunakan Embedded Detector
Metode ini adalah penentuan suhu dengan termokopel atau resistensi
detektor suhu yang diletakkan ke dalam mesin sesuai dengan ANSI C50.10-1977
atau NEMA MG1-1978
c.
Mengukur Tahanan Lilitan motor
Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan
tahanan lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan dengan tahanan
yang sudah diketahui temperaturnya. Temperature tahanan yang ingin ditentukan
dapat dihitung dengan persamaaan :
(
...................
)
2.25
Dimana : Tt : Temperatur total lilitan (oC)
Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oC)
Rt : Tahanan pada saat motor panas (ohm)
Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm)
K : 234.5 ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oC)
225 ( konstanta untuk bahan aluminium ) (oC)
23
Universitas Sumatera Utara
d.
Menggunakan Pendeteksi Temperatur Lokal
Dengan pendeteksi temperature lokal berbagai panas bagian mesin dapat
ditentukan dengan menggunakan detektor ini. Detektor ini ditempatkan di dekat
bagian dimana suhu lokal akan diukur . Contoh detektor suhu local, sensor
inframerah, termokopel, termometer resistensi kecil, dan termistor. Detector ini
sering dipasang sebagai bagian permanen dari mesin.
2.10
-
Thermometer Infrared
PRINSIP KERJA
Termometer inframerah mengukur permukaan temperatur dari benda
(target). Optik dari termometer mendeteksi energi inframerah yang telah
dikumpulkan dan difokuskan pada detrektor dan diterjemahkan ke dalam bentuk
informasi suhu yang dapat dibaca di display (interface). Laser disini hanya
digunakan untuk membidisk target yang akan diukur.
-
AKURASI
Termometer inframerah ditandai dengan spesifikasi termasuk akurasi dan
cakupan sudut. Instrumen sederhana mungkin memiliki kesalahan pengukuran
sekitar ± 2 ° C / ± 4 ° F).
-
Kelebihan Termometer Infra merah
1. Non-kontak pengukuran temperatur tidak berpengaruh pada objek yang
diukur.
2. cepat respon dan pergerakan benda dapat diukur dan suhu transien.
3. keakuratan pengukuran, resolusi tinggi kecil.
4. rentang pengukuran besar
24
Universitas Sumatera Utara
5. suhu pengukuran wilayah kecil.
6. bisa menjadi titik waktu yang sama, garis, suhu permukaan.
7. dapat diukur suhu mutlak, kelembaban relatif dapat diukur.
-
kelemahan Termometer Infra merah
1. Paparan terhadap pengaruh temperatur pada suhu objek yang diukur.
2. Tidak cocok untuk mengukur suhu transien.
3. Tidak mudah untuk mengukur benda bergerak.
4. Rentang pengukuran tidak cukup luas, dan perlengkapan.
5. Tidak cocok untuk mengukur beracun, tekanan tinggi, dan kesempatan
berbahaya.
25
Universitas Sumatera Utara