Analisis Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Kinerja Generator Sinkron Tiga Fasa (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Ft - Usu)
BABII2
BAB
DASAR
DASARTEORI
TEORI
2.1
Umum
Konversi
energi
elektromagnetik
yaitu
perubahan
energi
dari
bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik.
Generator sinkron (altenator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk
menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis
menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang
digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik
diperoleh
dari proses dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada
kumparan stator dan rotornya.
Generator
sinkron dengan defenisi sinkronnya,
mempunyai
makna
bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis
generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan
suplai arus searah akan menghasilkan
medan magnet yang diputar dengan
kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor.
Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak – balik 1 fasa
b. Generator arus bolak – balik 3 fasa
Universitas Sumatera Utara
Sebelum membahas tentang generator sinkron, terlebih dahulu kita
mengetahui tentang generator listrik. Generator listrik adalah suatu mesin listrik
dimana dalam proses kerjanya melakukan pengkonversian energi dari energi
mekanik ke energi listrik. Generator listrik dan motor listrik mempunyai
kesamaan, yaitu sama-sama memanfaatkan induksi listrik yang terjadi di dalam
kedua perangkat/sistem. Akan tetapi fungsi dari kedua sistem tersebut berbeda,
dimana motor listrik melakukan konversi energi listrik menjadi mekanik.
2.2
Defenisi Generator Sinkron
Generator sinkron merupakan salah satu jenis generator listrik dimana
terjadi proses pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik, (sama
seperti generator listrik) yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang
memotong suatu medan elektromagnetik yang dihasilkan di stator sehingga
kemudian menyebabkan timbulnya energi listrik. Induksi elektromagnetik yang
terjadi dalam generator merupakan bentuk aplikasi nyata dari Hukum Faraday
yang menyatakan:
1. “Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari sebuah medan
magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul
tegangan induksi”.
2. “Perubahan flux magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar,
akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut”.
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan
jika
dijabarkan
dengan
persamaan
matematisnya,
persamaannya adalah sebagai berikut:
einduksi
N
d
dt
(2.1)
dimana,
einduksi
: tegangan induksi elektromagnetik (GGL induksi)
N
: jumlah lilitan
d
dt
: laju perubahan fluks magnetik (wb/s)
Keterangan :
Nilai atau tanda minus (-) pada lilitan merupakan bentuk penerapan dari
Hukum Lenz yang mengatakan:
“Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan
dengan sumber perubahan fluks magnetik“.
2.3
Konstruksi Generator Sinkron
Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari dua bagian yang
diam (stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Keduanya merupakan rangkaian
magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu pada generator sinkron
terdapat bagian yang memisahkan antara rotor dan stator yang biasa disebut
dengan celah udara yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi
energi listrik dari rotor ke stator.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron secara umum
2.3.1 Stator
Stator (armature) adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk
menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan
melalui stator. Komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan
kawat konduktor yang sangat banyak.
Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :
1. Rangka Stator
Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang merupakan inti jangkar
generator sinkron.
2. Inti Stator
Inti stator terbuat dari laminasi – laminasi baja campuran atau besi
magnetik khusus yang terpasang kerangka stator.
Universitas Sumatera Utara
3. Alur (slot) dan Gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan jangkar. Ada 3
(tiga) bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah terbuka, dan tertutup.
Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti
Gambar 2.2 Bentuk - bentuk alur (slot)
4. Kumparan Stator ( Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
merupakan bagian dimana timbulnya ggl induksi.
2.3.2 Rotor
Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu:
a. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi
dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasang ke slip
ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush)
yang letaknya menempel pada slip ring.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3.1 Slip Ring Motor
b. Kumparan Rotor (Kumparan Medan)
Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama
dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah
dari sumber eksitasi tertentu.
Gambar 2.3.2 Kumparan Rotor
c. Poros Rotor
Gambar 2.3.3 Poros Rotor
Universitas Sumatera Utara
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada
poros rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap poros rotor.
Pada generator sinkron terdapat 2 (dua) jenis tipe rotor yaitu : rotor kutub
menonjol dan rotor kutub tak menonjol ( cylindrical rotors). Rotor kutub
menonjol biasanya dihubungkan dengan turbin hydrolic putaran rendah sedangkan
rotor kutub tak menonjol biasanya dihubungkan pada turbin putaran tinggi.
1. Rotor kutub menonjol (Salient pole rotors)
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan
dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk
mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan
medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan
rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek. Selain itu jenis kutub
salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitanbelitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka
kutub yang berdekatan akan membentuk kutub yang berlawanan. Bentuk kutub
menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.3 berikut :
Gambar 2.4 Rotor kutub menonjol (sileant poles)
Universitas Sumatera Utara
Rotor kutub menonjol pada umumnya digunakan pada generator sinkron
dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120 – 400 rpm). Generator seperti
ini biasanya dikopel dengan mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit
listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan pada putaran rendah dan sedang
karena :
Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan
mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
Konstruksi rotor kutub menonjol akan mengalami rugi – rugi yang besar
dan menimbulkan polusi suara jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai
sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga
kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang
dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan
terhubung seri yang di enerjais oleh eksiter.
Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang.
Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugirugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor).
Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4
berikut :
Gambar 2.5 Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Universitas Sumatera Utara
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan
kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk
pembangkit listrik berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan
gas. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan tinggi karena:
Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga
lebih baik rotor kutub menonjol.
2.4
Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.
Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Apabila generator sinkron melayani beban, ,maka pada kumparan jangkar
mengalir arus, dan arus ini menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangar yang
ditimbulkan arus (ф� ) akan berinteraksi dengan yang dihasilkan kumparan medan
rotor (ф� ), sehingga menghasilkan fluks resultan (ф )
ф
ф�
ф�
(2.2)
Adanya interaksi ini dikenal sebagai reaksi jagkar.
Kondisi reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban adalah sebagai
berikut :
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E).
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E).
Jenis beban : Tahanan (resistif).
Tahananф(resistif).
ф� Jenis
tegakbeban
lurus :terhadap
�
(a). Beban Resistif
ф� tegak lurus terhadap ф�
Universitas Sumatera Utara
Arus jangkar (I) terlebih dahulu θ dari GGL (E).
Jenis beban : Kapasitif
ф� terbelakang dengan sudut (90 – θ)
(b). Beban Kapasitif
Arus jangkar (I) terdahulu 90 dari GGL (E).
Jenis beban : Kapasitif murni
ф� memperkuat ф� , terjadi pengaruh pemagnetan.
(c). Beban Kapasitif Murni
Arus jangkar (I) terbelakang 90 dari GGL (E).
Jenis beban : Induktif murni
ф� memperlemah ф� , terjadi pengaruh pendemagnetan
.
(d). Beban induktif Murni
Gambar 2.6 Reaksi Jangkar terhadap beban
Universitas Sumatera Utara
Terlihat bahwa reaksi jangkar pada alternator bergantung pada jenis beban
yang dilayani,, dengan perkataan lain bergantung pada sudut fasa antara arus
jangkar (I) dan tegangan induksi (GGL).
2.5
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Generator dapat menghasilkan energi listrik karena adanya pergerakan
relatif antara medan magnet homogen terhadap kumparan jangkar pada generator
(magnet yang bergerak dan kumparan jangkar diam, atau sebaliknya magnet diam
sedangkan jangar bergerak). Jadi, jika kumparan diputar pada kecepatan konstan
pada medan magnet homogen maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada
kumparan tersebut medan magnet homogen ini bisa dihasilkan oleh kumparan
yang dialiri arus DC atau magnet tetap.
Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai
berikut :
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan
medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan
medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu
adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
.
(2.3)
Dimana :
ns = kecepatan putar rotor (rpm)
p = Jumlah kutub rotor
Universitas Sumatera Utara
f = frekuensi (Hz)
3. Perputaran rotor tersebut sekaligus 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 di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang
berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik
yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada
ujung-ujung kumparan tersebut. Hal tersebut sesuai dengan Persamaan
(2.4) dan Persamaan (2.5) berikut :
−�
−�
ф
ф
(2.4)
�
−� �ф � �
Bila : �
�
�
Bila :
−� � ф � �
−�
�
�
�
−�
�
�
,
. ,
. ,
�
ф � �
.
.
�
ф
ф
. ,
ф � �
.
ф
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
,
�
ф
Sehingga didapat persamaan :
Dimana :
�
ф
�
= ggl induksi (volt)
n
= jumlah lilitan
c
= konstanta
(2.5)
ф = Fluks magnet (Wb)
Untuk generator sinkron tiga fasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang
ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan
kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada
ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama
lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk
menghasilkan energi listrik.
Universitas Sumatera Utara
2.6
Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitan-
belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu belitan konduktor akan
mengandung tahanan (R) dan induktansi (L), maka belitan stator akan
mengandung tahanan stator (Ra) dan induktansi sendiri (Lf). Akibat adanya
pengaruh reaktansi reaksi jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka
rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti gambar berikut:
.
Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Dengan melihat Gambar 2.7 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator
sinkron sebagai berikut :
�
�
� �
� �
�
(2.6)
Dan dengan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
�
� − � � − � � −
�
(2.7)
Universitas Sumatera Utara
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai
reaktansi sinkron, atau
persamaan menjadi :
Dimana :
�
�
�
�
�
�� − � � −
dapat dilihat pada Gambar 2.7 maka
�(� �
(2.8)
= Tegangan eksitasi (volt)
= Tahanan Belitan (Ohm)
= Induktansi Belitan Medan (Henry)
= Tahanan Variabel (Ohm)
�
= Ggl yang dibangkitkan generator sinkron (Volt)
�
= Reaktansi armatur (ohm)
X
= Reaktansi bocor (ohm)
�
= Reaktansi sinkron (ohm)
�
�
= Tegangan terminal generator sinkron (Volt)
= Arus Jangkar (Ampere)
Gambar 2.8 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
Universitas Sumatera Utara
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan
bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor.
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa
2.7
Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron
Cara menentukan pengaturan tegangan untuk mesin – mesin kecil dapat
diperoleh dengan cara langsung, yaitu generator sinkron diputar pada kecepatan
nominal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal (V) pada beban
penuh, kemudian beban dilepas dengan menjaga agar putaran tetap konstan.
Selain itu, arus eksitasi juga harus dijaga konstan. Maka, akan diperoleh harga
tegangan pada beban nol (E0) sehingga regulasi tegangan dapat dihitung.
Untuk mesin – mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan
regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali tidak dilakukan. Hal ini
disebabkan oleh rating KVA yang sangat tinggi. Terdapat beberapa metode tidak
langsung yang hanya memerlukan sejumlah kecil daya jika dibandingkan dengan
Universitas Sumatera Utara
daya yang diperlukan pada metode langsung. Beberapa metode tersebut antara
lain:
a. Metode impedansi sinkron (EMF)
b. Metode ampere lilit (MMF)
c. Metode Potier (zero power factor)
d. Metode New ASA (American Standard Association)
Dimana untuk setiap metode tersebut diperlukan data – data sebagai berikut
:
1. Tahanan Jangkar
Tahanan jangkar Ra per phasa ditentukan dengan menggunakan metode
pengukuran langsung dan bernilai searah (DC). Harga tahanan jangkar efektif
(AC) lebih besar daripada nilai DC ini karena adanya skin effect. Untuk
memperoleh nilai efektifnya, nilai hasil pengukuran (nilai DC) biasanya dikalikan
faktor kali :
2.
,
(2.9)
Karakteristik beban nol atau open circuit characteristic (OCC).
Sama seperti kurva magnetisasi pada suatu mesin DC, karakteristik beban
nol dari suatu generator sinkron adalah kurva antara tegangan terminal jangkar
(tegangan phasa – phasa) pada keadaan hubungan terbuka dan arus medan ketika
generator sinkron (alternator) bekerja pada kecepatan nominal.
3. Karakteristik hubung singkat atau short circuit characteristic (SCC).
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik hubung singkat (SCC) ditentukan dengan cara terminal –
terminal armatur dihubung singkat melalui amperemeter dan arus medan (If)
dinaikkan secara bertahap dari nol hingga diperoleh arus hubung singkat (ISC)
bernilai hampir dua kali arus nominal. Selama test ini kecepatan yang mungkin
bukan kecepatan sinkron harus dijaga konstan. Untuk metode Portier faktor daya
adalah nol.
Tidak diperlukan pembacaan lebih dari sekali karena SCC merupakan suatu
garis lurus yang melewati titik awal. Hal ini disebabkan karena tahanan jangkar
Ra lebih kecil daripada reaktansi sinkron (Xs), arus hubung singkat (ISC)
tertinggal hampir sebesar 90º terhadap tegangan terinduksi Vf. Akibatnya, fluks
armatur (Φa) dan fluks medan (Φf ) berlawanan arah sehingga fluks resultan (ΦR)
bernilai kecil. Karena (ΦR) bernilai kecil, pengaruh saturasi akan diabaikan dan
arus hubung singkat (ISC) berbanding lurus dengan arus medan melebihi batas
(range) dari nol sampai melampaui arus nominal.
2.8
Efek Perubahan Beban Pada Generator yang Beroperasi Sendiri
Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya
daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan
beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan
arus saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang
berpengaruh terutama oleh faktor daya beban, seperti pada Gambar di bawah ini ,
diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya
tertinggal, faktor daya satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan
terminal setelah beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt
menyatakan tegangan terminal pada saat awal.
Universitas Sumatera Utara
a. Beban Induktif
b. Beban Resistif
c. Beban Kapasitif
Gambar 2.10 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah
Universitas Sumatera Utara
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi
tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan
maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan,
maka tegangan terminal cenderung membesar.
Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan
meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea, karena
Ea=K. фω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai
fluksi tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah
fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubahubah. Selain besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi
yang sesuai dengan faktor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal
generator yang stabil. Gambar 10 menunjukkan contoh hubungan antara Arus
Jangkar Il dan Arus Medan If untuk tiga jenis faktor daya, dalam hal ini contoh
generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kV dan daya 400 MVA.
Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus diberikan
berbeda-beda tergantung pada faktor daya beban.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Kurva arus jangkar VS Arus medan untuk tiga faktor daya
Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri:
1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban.
2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya
yang dihasilkan.
3. Pengaturan Arus Medan akan mempengaruhi nilai tegangan terminal.
BAB
BAB III
3
METODE PENELITIAN
3.1
Tempat dan Waktu
Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik,
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Penelitian dilaksanakan selama dua bulan pada bulan Februari sampai Maret
2017.
Universitas Sumatera Utara
BAB
DASAR
DASARTEORI
TEORI
2.1
Umum
Konversi
energi
elektromagnetik
yaitu
perubahan
energi
dari
bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik.
Generator sinkron (altenator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk
menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis
menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang
digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik
diperoleh
dari proses dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada
kumparan stator dan rotornya.
Generator
sinkron dengan defenisi sinkronnya,
mempunyai
makna
bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis
generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan
suplai arus searah akan menghasilkan
medan magnet yang diputar dengan
kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor.
Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak – balik 1 fasa
b. Generator arus bolak – balik 3 fasa
Universitas Sumatera Utara
Sebelum membahas tentang generator sinkron, terlebih dahulu kita
mengetahui tentang generator listrik. Generator listrik adalah suatu mesin listrik
dimana dalam proses kerjanya melakukan pengkonversian energi dari energi
mekanik ke energi listrik. Generator listrik dan motor listrik mempunyai
kesamaan, yaitu sama-sama memanfaatkan induksi listrik yang terjadi di dalam
kedua perangkat/sistem. Akan tetapi fungsi dari kedua sistem tersebut berbeda,
dimana motor listrik melakukan konversi energi listrik menjadi mekanik.
2.2
Defenisi Generator Sinkron
Generator sinkron merupakan salah satu jenis generator listrik dimana
terjadi proses pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik, (sama
seperti generator listrik) yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang
memotong suatu medan elektromagnetik yang dihasilkan di stator sehingga
kemudian menyebabkan timbulnya energi listrik. Induksi elektromagnetik yang
terjadi dalam generator merupakan bentuk aplikasi nyata dari Hukum Faraday
yang menyatakan:
1. “Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari sebuah medan
magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul
tegangan induksi”.
2. “Perubahan flux magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar,
akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut”.
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan
jika
dijabarkan
dengan
persamaan
matematisnya,
persamaannya adalah sebagai berikut:
einduksi
N
d
dt
(2.1)
dimana,
einduksi
: tegangan induksi elektromagnetik (GGL induksi)
N
: jumlah lilitan
d
dt
: laju perubahan fluks magnetik (wb/s)
Keterangan :
Nilai atau tanda minus (-) pada lilitan merupakan bentuk penerapan dari
Hukum Lenz yang mengatakan:
“Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan
dengan sumber perubahan fluks magnetik“.
2.3
Konstruksi Generator Sinkron
Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari dua bagian yang
diam (stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Keduanya merupakan rangkaian
magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu pada generator sinkron
terdapat bagian yang memisahkan antara rotor dan stator yang biasa disebut
dengan celah udara yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi
energi listrik dari rotor ke stator.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron secara umum
2.3.1 Stator
Stator (armature) adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk
menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan
melalui stator. Komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan
kawat konduktor yang sangat banyak.
Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :
1. Rangka Stator
Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang merupakan inti jangkar
generator sinkron.
2. Inti Stator
Inti stator terbuat dari laminasi – laminasi baja campuran atau besi
magnetik khusus yang terpasang kerangka stator.
Universitas Sumatera Utara
3. Alur (slot) dan Gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan jangkar. Ada 3
(tiga) bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah terbuka, dan tertutup.
Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti
Gambar 2.2 Bentuk - bentuk alur (slot)
4. Kumparan Stator ( Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
merupakan bagian dimana timbulnya ggl induksi.
2.3.2 Rotor
Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu:
a. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi
dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasang ke slip
ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush)
yang letaknya menempel pada slip ring.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3.1 Slip Ring Motor
b. Kumparan Rotor (Kumparan Medan)
Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama
dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah
dari sumber eksitasi tertentu.
Gambar 2.3.2 Kumparan Rotor
c. Poros Rotor
Gambar 2.3.3 Poros Rotor
Universitas Sumatera Utara
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada
poros rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap poros rotor.
Pada generator sinkron terdapat 2 (dua) jenis tipe rotor yaitu : rotor kutub
menonjol dan rotor kutub tak menonjol ( cylindrical rotors). Rotor kutub
menonjol biasanya dihubungkan dengan turbin hydrolic putaran rendah sedangkan
rotor kutub tak menonjol biasanya dihubungkan pada turbin putaran tinggi.
1. Rotor kutub menonjol (Salient pole rotors)
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan
dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk
mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan
medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan
rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek. Selain itu jenis kutub
salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitanbelitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka
kutub yang berdekatan akan membentuk kutub yang berlawanan. Bentuk kutub
menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.3 berikut :
Gambar 2.4 Rotor kutub menonjol (sileant poles)
Universitas Sumatera Utara
Rotor kutub menonjol pada umumnya digunakan pada generator sinkron
dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120 – 400 rpm). Generator seperti
ini biasanya dikopel dengan mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit
listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan pada putaran rendah dan sedang
karena :
Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan
mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
Konstruksi rotor kutub menonjol akan mengalami rugi – rugi yang besar
dan menimbulkan polusi suara jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai
sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga
kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang
dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan
terhubung seri yang di enerjais oleh eksiter.
Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang.
Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugirugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor).
Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4
berikut :
Gambar 2.5 Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Universitas Sumatera Utara
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan
kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk
pembangkit listrik berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan
gas. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan tinggi karena:
Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga
lebih baik rotor kutub menonjol.
2.4
Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.
Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Apabila generator sinkron melayani beban, ,maka pada kumparan jangkar
mengalir arus, dan arus ini menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangar yang
ditimbulkan arus (ф� ) akan berinteraksi dengan yang dihasilkan kumparan medan
rotor (ф� ), sehingga menghasilkan fluks resultan (ф )
ф
ф�
ф�
(2.2)
Adanya interaksi ini dikenal sebagai reaksi jagkar.
Kondisi reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban adalah sebagai
berikut :
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E).
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E).
Jenis beban : Tahanan (resistif).
Tahananф(resistif).
ф� Jenis
tegakbeban
lurus :terhadap
�
(a). Beban Resistif
ф� tegak lurus terhadap ф�
Universitas Sumatera Utara
Arus jangkar (I) terlebih dahulu θ dari GGL (E).
Jenis beban : Kapasitif
ф� terbelakang dengan sudut (90 – θ)
(b). Beban Kapasitif
Arus jangkar (I) terdahulu 90 dari GGL (E).
Jenis beban : Kapasitif murni
ф� memperkuat ф� , terjadi pengaruh pemagnetan.
(c). Beban Kapasitif Murni
Arus jangkar (I) terbelakang 90 dari GGL (E).
Jenis beban : Induktif murni
ф� memperlemah ф� , terjadi pengaruh pendemagnetan
.
(d). Beban induktif Murni
Gambar 2.6 Reaksi Jangkar terhadap beban
Universitas Sumatera Utara
Terlihat bahwa reaksi jangkar pada alternator bergantung pada jenis beban
yang dilayani,, dengan perkataan lain bergantung pada sudut fasa antara arus
jangkar (I) dan tegangan induksi (GGL).
2.5
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Generator dapat menghasilkan energi listrik karena adanya pergerakan
relatif antara medan magnet homogen terhadap kumparan jangkar pada generator
(magnet yang bergerak dan kumparan jangkar diam, atau sebaliknya magnet diam
sedangkan jangar bergerak). Jadi, jika kumparan diputar pada kecepatan konstan
pada medan magnet homogen maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada
kumparan tersebut medan magnet homogen ini bisa dihasilkan oleh kumparan
yang dialiri arus DC atau magnet tetap.
Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai
berikut :
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan
medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan
medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu
adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
.
(2.3)
Dimana :
ns = kecepatan putar rotor (rpm)
p = Jumlah kutub rotor
Universitas Sumatera Utara
f = frekuensi (Hz)
3. Perputaran rotor tersebut sekaligus 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 di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang
berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik
yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada
ujung-ujung kumparan tersebut. Hal tersebut sesuai dengan Persamaan
(2.4) dan Persamaan (2.5) berikut :
−�
−�
ф
ф
(2.4)
�
−� �ф � �
Bila : �
�
�
Bila :
−� � ф � �
−�
�
�
�
−�
�
�
,
. ,
. ,
�
ф � �
.
.
�
ф
ф
. ,
ф � �
.
ф
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
,
�
ф
Sehingga didapat persamaan :
Dimana :
�
ф
�
= ggl induksi (volt)
n
= jumlah lilitan
c
= konstanta
(2.5)
ф = Fluks magnet (Wb)
Untuk generator sinkron tiga fasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang
ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan
kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada
ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama
lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk
menghasilkan energi listrik.
Universitas Sumatera Utara
2.6
Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitan-
belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu belitan konduktor akan
mengandung tahanan (R) dan induktansi (L), maka belitan stator akan
mengandung tahanan stator (Ra) dan induktansi sendiri (Lf). Akibat adanya
pengaruh reaktansi reaksi jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka
rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti gambar berikut:
.
Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Dengan melihat Gambar 2.7 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator
sinkron sebagai berikut :
�
�
� �
� �
�
(2.6)
Dan dengan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
�
� − � � − � � −
�
(2.7)
Universitas Sumatera Utara
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai
reaktansi sinkron, atau
persamaan menjadi :
Dimana :
�
�
�
�
�
�� − � � −
dapat dilihat pada Gambar 2.7 maka
�(� �
(2.8)
= Tegangan eksitasi (volt)
= Tahanan Belitan (Ohm)
= Induktansi Belitan Medan (Henry)
= Tahanan Variabel (Ohm)
�
= Ggl yang dibangkitkan generator sinkron (Volt)
�
= Reaktansi armatur (ohm)
X
= Reaktansi bocor (ohm)
�
= Reaktansi sinkron (ohm)
�
�
= Tegangan terminal generator sinkron (Volt)
= Arus Jangkar (Ampere)
Gambar 2.8 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
Universitas Sumatera Utara
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan
bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor.
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa
2.7
Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron
Cara menentukan pengaturan tegangan untuk mesin – mesin kecil dapat
diperoleh dengan cara langsung, yaitu generator sinkron diputar pada kecepatan
nominal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal (V) pada beban
penuh, kemudian beban dilepas dengan menjaga agar putaran tetap konstan.
Selain itu, arus eksitasi juga harus dijaga konstan. Maka, akan diperoleh harga
tegangan pada beban nol (E0) sehingga regulasi tegangan dapat dihitung.
Untuk mesin – mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan
regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali tidak dilakukan. Hal ini
disebabkan oleh rating KVA yang sangat tinggi. Terdapat beberapa metode tidak
langsung yang hanya memerlukan sejumlah kecil daya jika dibandingkan dengan
Universitas Sumatera Utara
daya yang diperlukan pada metode langsung. Beberapa metode tersebut antara
lain:
a. Metode impedansi sinkron (EMF)
b. Metode ampere lilit (MMF)
c. Metode Potier (zero power factor)
d. Metode New ASA (American Standard Association)
Dimana untuk setiap metode tersebut diperlukan data – data sebagai berikut
:
1. Tahanan Jangkar
Tahanan jangkar Ra per phasa ditentukan dengan menggunakan metode
pengukuran langsung dan bernilai searah (DC). Harga tahanan jangkar efektif
(AC) lebih besar daripada nilai DC ini karena adanya skin effect. Untuk
memperoleh nilai efektifnya, nilai hasil pengukuran (nilai DC) biasanya dikalikan
faktor kali :
2.
,
(2.9)
Karakteristik beban nol atau open circuit characteristic (OCC).
Sama seperti kurva magnetisasi pada suatu mesin DC, karakteristik beban
nol dari suatu generator sinkron adalah kurva antara tegangan terminal jangkar
(tegangan phasa – phasa) pada keadaan hubungan terbuka dan arus medan ketika
generator sinkron (alternator) bekerja pada kecepatan nominal.
3. Karakteristik hubung singkat atau short circuit characteristic (SCC).
Universitas Sumatera Utara
Karakteristik hubung singkat (SCC) ditentukan dengan cara terminal –
terminal armatur dihubung singkat melalui amperemeter dan arus medan (If)
dinaikkan secara bertahap dari nol hingga diperoleh arus hubung singkat (ISC)
bernilai hampir dua kali arus nominal. Selama test ini kecepatan yang mungkin
bukan kecepatan sinkron harus dijaga konstan. Untuk metode Portier faktor daya
adalah nol.
Tidak diperlukan pembacaan lebih dari sekali karena SCC merupakan suatu
garis lurus yang melewati titik awal. Hal ini disebabkan karena tahanan jangkar
Ra lebih kecil daripada reaktansi sinkron (Xs), arus hubung singkat (ISC)
tertinggal hampir sebesar 90º terhadap tegangan terinduksi Vf. Akibatnya, fluks
armatur (Φa) dan fluks medan (Φf ) berlawanan arah sehingga fluks resultan (ΦR)
bernilai kecil. Karena (ΦR) bernilai kecil, pengaruh saturasi akan diabaikan dan
arus hubung singkat (ISC) berbanding lurus dengan arus medan melebihi batas
(range) dari nol sampai melampaui arus nominal.
2.8
Efek Perubahan Beban Pada Generator yang Beroperasi Sendiri
Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya
daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan
beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan
arus saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang
berpengaruh terutama oleh faktor daya beban, seperti pada Gambar di bawah ini ,
diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya
tertinggal, faktor daya satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan
terminal setelah beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt
menyatakan tegangan terminal pada saat awal.
Universitas Sumatera Utara
a. Beban Induktif
b. Beban Resistif
c. Beban Kapasitif
Gambar 2.10 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah
Universitas Sumatera Utara
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi
tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan
maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan,
maka tegangan terminal cenderung membesar.
Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan
meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea, karena
Ea=K. фω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai
fluksi tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah
fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubahubah. Selain besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi
yang sesuai dengan faktor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal
generator yang stabil. Gambar 10 menunjukkan contoh hubungan antara Arus
Jangkar Il dan Arus Medan If untuk tiga jenis faktor daya, dalam hal ini contoh
generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kV dan daya 400 MVA.
Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus diberikan
berbeda-beda tergantung pada faktor daya beban.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.11 Kurva arus jangkar VS Arus medan untuk tiga faktor daya
Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri:
1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban.
2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya
yang dihasilkan.
3. Pengaturan Arus Medan akan mempengaruhi nilai tegangan terminal.
BAB
BAB III
3
METODE PENELITIAN
3.1
Tempat dan Waktu
Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik,
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Penelitian dilaksanakan selama dua bulan pada bulan Februari sampai Maret
2017.
Universitas Sumatera Utara