BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA - Analisis Penentuan Tegangan Terminal, Regulasi, Dan Efisiensi Generator Sinkron 3 Fasa Rotor Salient Pole Dengan Metode Blondel (Two Reaction Theory)

BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA

2.1 Umum

Banyak energi listrik yang dibangkitkan dengan menggunakan generator sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembangkit listrik. Mesin Sinkron dapat bekerja sebagai generator apabila kumparan jangkarnya (stator) menghasilkan daya arus bolak-balik.

Generator sinkron (alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC).

Definisi generator sinkron, mempunyai makna bahwa 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. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet (medan putar) pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin sinkron tidak dapat start sendiri karena kutub-kutub yang berat dan tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu saklar terhubung dengan jala-jala oleh sebab itu diperlukan suatu alat bantu start (prime

mover ) .Generator sinkron dibagi menjadi dua jenis, yaitu generator sinkron 1 fasa

dan generator sinkron 3 fasa [4].

2.2 Konstruksi Generator Sinkron

Konstruksi generator sinkron sama dengan motor sinkron yaitu mesin sinkron pada dasarnya generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik bolak-balik . Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris yang berkaitan. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat berputarnya rotor dan tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke stator.

Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari sebuah generator sinkron secara umum :

Gambar 2.1 Konstruksi generator sinkron secara umum

A. Rotor

Rotor merupakan bagian berputar yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang menghasilkan tegangan dan akan di induksikan ke stator. Pada rotor terdapat kutub-kutub magnet dengan lilitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin geser dan sikat. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu : 1.) Rotor yang berbentuk kutub sepatu (salient pole) 2.) Rotor yang berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical)

1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)

Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh rugi-rugi arus Eddy, kumparan- kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang serta sumbunya pendek.

Selain itu jenis kutub salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan 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 2.2 berikut :

Gambar 2.2 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang. Generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena : a.

Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.

Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.

2. Rotor kutub tak menonjol dengan celah udara sama rata (Rotor Silinder)

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

Gambar bentuk kutub silinder generator terhubung seri yang dienerjais oleh eksiter. sinkron tampak seperti pada Gambar 2.3 berikut:

Gambar 2.3 Rotor Kutub tak Menonjol Generator Sinkron Dimana rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :

a. Slip Ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Dibuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.

b. Sikat Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sikron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu.

c. Kumpara rotor (kumparan medan) Kumparan medan merupakan unsure yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu.

d. Poros Rotor Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.

B. Stator

Stator adalah bagian generator yang diam dan berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus bolak-balik (AC) yang menuju ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam wye dipilih karena: 1. Meningkatkan daya output.

2. Menghindari dan meminimalisir tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun.

Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk dan di laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Pada Gambar 2.4 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar

Gambar 2.4 Inti dalam Stator dan Alur Pada Stator Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu:

a. Rangka stator Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar generator.

b. Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic khusus terpasang ke rangka stator.

c. Alur (slot) dan Gigi Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup seperti pada

gambar 2.5 berikut :Gambar 2.5 Bentuk-bentuk alur

d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar) Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi [5].

2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah: 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 fluksi yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.

2. Unit penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga memutar rotor pada kecepatan nominalnya

120

persamaan (2.1) dimana : …………(2.1)

= n = Kecepatan putar rotor (rpm) p = Jumlah kutub rotor 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 berikut

∅

dimana : ………………. (2.2) = −

sin ∅

…….. (2.3) = −

= − ∅ ….. (2.4) = 2 ………………… (2.5)

cos = − (2 )Ø …. (2.6)

…………………….. (2.7) =

120 cos = − �2 � Ø ……… (2.8)

120

= … (2.9)

�2.3,14. � Ø

120

….. (2.10) …….. (2.11)

…………. …(2.12) =

Ø ………………(2.13) Dimana:

E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan

= Konstanta = Jumlah kutub

C p n = Putaran (rpm) f = Frequensi (Hz)

Ø = Fluks magnetik (weber) Untuk generator sinkron tiga phasa, 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 120 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik [2].

2.4 Reaksi Jangkar

Bila generator sinkron (alternator) melayani beban yang terhubung ke terminal generator maka pada belitan stator akan mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator yang akan berinteraksi dengan medan rotor. Medan magnet ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor sehingga menghasilkan fluks resultan. Seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.6 :

Gambar 2.6 Model Reaksi Jangkar Pada Gambar 2.6.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi E . Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus

pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.6.b. Arus stator tadi akan meghasilkan medan magnet sendiri B dan tegangan stator E seperti pada

s stat,

Gambar 2.6.c. Vektor penjumlahan antara B dan B akan menjadi B dan

S R net penjumlahan E dan E akan menghasilkan Ø, V pada terminal jangkar. stat

Saat beban terhubung ke beban induktif, arus jangkar akan tertinggal terhadap tegangan jangkar. Arus pada belitan stator akan menghasilkan medan magnet B , yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator E . Dua tegangan

s stat

yaitu tegangan jangkar E dan tegangan reaksi jangkar E akan menghasilkan V ,

a stat t

dimana ditunjukkan pada persamaan (2.14) V = E + E .............................................................(2.14)

t a stat

Tegangan Reaksi Jangkar E = - j X Ia

stat Sehingga persaman 2.14 dapat ditulis kembali pada persamaan (2.15).

V = E -jXI .................................................................(2.15)

t a a

Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator sinkron juga karena adanya tahanan R dan Induktansi belitan stator X ,dan

penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga persamaan (2.15) dapat ditulis kembali sebagai persamaan (2.16).

V = E -jXI -jX I - I R ................................................(2.16)

t a a a a a a

Lalu menjadi persamaan (2.17)

V = E -jX I - I R ..........................................................(2.17)

t a s a a a

Dimana: V t = Tegangan terminal jangkar R a = Tahanan Jangkar E = Tegangan Jangkar B = Medan Magnet Stator

a S

Estat = Tegangan Reaksi Jangkar B R = Medan Magnet Rotor X s = Reaktansi Sinkron I a = Arus Jangkar [4].

2.5 Sistem Eksitasi

Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri dari dua sistem yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikat (brushless excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless).

Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu : 1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah).

2. Sistem eksitasi statis. Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari : 1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai.

2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator (PMG). Berikut sistem eksitasi menggunakan sikat:

1. Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah)

Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh dari sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter. Generator sinkron dan generator arus serah tersebut terkopel dalam satu poros, sehingga putaran generator arus searah sama dengan putaran generator sinkron.

Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan kebelitan rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik pada kumparan utama yang terletak di stator generator sinkron.

Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu generator arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip ring dan sikat menimbulkan masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber arus searah padabelitan medan generator sinkron. Terdapat sikat arang yang menekan slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya. Selain itu pada generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang menekan komutator. Selama pemakaian slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur, generator arus searah juga memiliki keandalan yang rendah. Karena hal-hal seperti diatas dipikirkan hubungan lain dan dikenal apa yang dikenal sebagai generator sinkron static exciter (penguat statis). Gambar 2.7 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator arus searah.

Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Menggunakan Generator Arus Searah

2 Sistem Eksitasi Statis Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak

(static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan rotor generator sinkron. Sistem eksitasi statis (static excitation sistem) atau disebut juga dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron. Sumber eksitasi pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan output generator itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan penyearah thyristor.

Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, magnet sisa ini akan menimbulkan tegangan pada stator tegangan ini kemudian masuk dalam penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor akibatnya medan magnet yang dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan. Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR.

Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan sistem eksitasi statis memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada penggerak mula hilang. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu penyearah karena itu disebut eksiter statis. Gambar 2.8 berikut adalah sistem eksitasi statis.

Gambar 2.8 Sistem eksitasi statis

Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini menyebabkan sistem eksitasi ini tidak efisien dan efektif.

Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat : 1.

Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai

Sistem eksitasi tanpa sikat diaplikasikan pada generator sinkron, dimana suplai arus searah kebelitan medan dilakukan tanpa melalui sikat. Arus searah untuk suplai eksitasi untuk awal start generator digunakan suplai dari baterai, yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke belitan medan AC exiter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini disearahkan oleh penyearah yang menggunakan dioda, yang disebut rotating

rectifier , yang diletakkan pada bagian poros ataupun pada bagian dalam dari rotor

generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai dengan putaran rotor, seperti pada gambar 2.9 berikut:

Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai

Dari Gambar 2.9 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung disalurkan kebagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki bersama- sama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan penguat (eksiter).

2. Sistem Eksitasi Menggunakan Pemanen Magnet Generator Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang berputar agar generator tersebut menghasilkan tegangan pada statornya. Medan magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah dengan menggunakan magnet permanen sebagai sumber eksitasinya ini disebut dengan Permanen Magnet Generator (PMG).

Generator sinkron yang berkapasitas besar biasanya menggunakan sistem eksitasi brushless yang dilengkapi dengan permanen magnet generator. Hal ini dimaksudkan agar sistem eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung pada sumber daya listrik dari luar mesin itu. Pada Gambar 2.10 dapat dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator.

Gambar 2.10 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator

Dari Gambar 2.17, bahwa pada bagian mesin yang berputar (rotor) terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator eksitasi, kumparan medan generator utama. Hal ini memungkinkan generator tersebut tidak menggunakan slip ring dan sikat dalam pengoperasiannya sehingga lebih efektif dan efisiensi [9].

2.6 Rangkaian Ekivalen

Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari

tahanan R dan induktansi X maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat

_{a Ia} dibuat seperti Gambar 2.11

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen generator sinkron Dengan melihat Gambar 2.11 maka tegangan generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.18).

E = V + jX I + jX I + R I ……….................................................(2.18)

a ar a La a a a

Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.19) V t = E – jX I – jX I – R I ..............................................................(2.19)

a ar a La a a a

Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau X = X + X , maka menjadi persamaan (2.20).

s ar La

V t = E – jX I – R I [Volt]…..….........................................................(2.20)

a s a a a

Dimana: V t = Tegangan Terminal I a = Arus Jangkar E a = Tegangan Induksi R a = Tahanan Jangkar X s = Reaktansi Sinkron X ar = Reaktansi Jangkar

X La = Reaktansi Fluks Bocor

Gambar 2.12 Penyederhanaan rangkaian ekivalen generator sinkron

Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik tiga fasa maka gambar yang menunjukkan hubungan tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.13 berikut:

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen generator sinkron 3 fasa

Sementara itu, rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa untuk tiap jenis hubungan ditunjukkan oleh Gambar 2.14 berikut ini:

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen belitan stator generator sinkron 3 fasa (a).

Belitan-Y, (b). Belitan- ∆ [8].

2.7 Rangkaian Belitan

2.7.1 Belitan Stator

Ada dua jenis belitan stator yang banyak digunakan untuk generator sinkron 3 phasa, yaitu:

1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).

2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).

1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).

Gambar 2.15 Belitan satu lapis (Single Layer Winding).Gambar 2.15 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi lilitan di dalam masing - masing alur. Bila kumparan tiga phasa dimulai pada Sa,

Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan phasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh menunjukkan 360 derajat listrik [5].

2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).

Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada Gambar 2.15 hanya mempunyai satu lilitan per kutub per phasa, akibatnya masing – masing kumparan hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama.

Masing – masing tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per phasa.

Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi dalam beberapa alur per kutub per phasa. Gambar 2.16 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan [5].

Gambar 2.16 Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding)

2.7.2 Belitan Rotor

Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu : 1).Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole) 2).Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical)

Perbedaan utama antara keduanya adalah salient pole rotor digerakkan oleh turbin hidrolik kecepatan rendah sedangkan cylindrical rotor digerakkan oleh turbin uap berkecepatan tinggi . Bentuk rotor yang terdapat pada generator sinkron

dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut (a) Rotor Kutub Menonjol (b) Rotor Silinder

Gambar 2.17 Bentuk Rotor

2.8 Karakteristik Generator Sinkron 3 Fasa

2.8.1 Karakteristik Beban Nol

Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki langkah-langkah sebagai berikut :

a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)

b.) Tidak ada beban yang terhubung pada terminal

c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap

d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If) yang terlihat pada gambar 2.18 di bawah ini:

Gambar 2.18 Rangkaian Test Tanpa Beban Dari Gambar dapat diperoleh persamaan umum generator pada persamaan (2.21).

E = V + I (R + jX ).......................................(2.21)

t a a s

Pada hubungan generator terbuka (beban nol), I = 0. Maka persamaannya menjadi

a persamaan (2.22).

Ø …......................................…..(2.22) E = Vt = Cn

Ø yang dihasilkan hanya Ø Karena tidak ada beban yang terpasang, maka f . Sehingga menjadi persamaan (2.23)

Ø E = Cn .........................................................(2.23)

Dari persamaan (2.23) menjadi persamaan (2.24) E = CnI .......................................................... (2.24)

Nilai Cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi persamaan (2.25) E = k .I .......................................................... (2.25)

1 f

Dimana: E = Tegangan pada saat beban nol I = Arus Jangkar

C = Konstanta n = Jumlah Putaran I = Arus Medan R = Tahanan Jangkar

f a

X s = Reaktansi Sinkron Pengujian beban nol terkait dengan karakteristik beban nol yaitu hubungan antara tegangan induksi E dengan arus penguat /eksitasi I . pada pengujian beban

a f

nol, rotor generator diputar pada kecepatan nominal dan terminal jangkar dalam keadaan terbuka. Arus medan I diatur bertahap nol hingga diperoleh harga

tegangan induksi E a . bersekitar kurang lebih 125% dari tegangan nominal generator. Pada kondisi ini arus jangkar I a = 0 dan tegangan induksi E a = V t . sehingga pembacaan tegangan induksi jangkar dengan pengaruh variasi medan eksitasi digambarkan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit Characteristic). Yang terlihat pada gambar 2.19 dibawah:

Gambar 2.19 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)

Dari Gambar 2.19 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva berbentuk hampir benar-benar linear. Hingga pada harga-harga arus medan yang tinggi, bentuk kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai mesin sinkron memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada reluktansi air gap. Sehingga pertama-tama hampir seluruh MMF melewati celah udara dan peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami saturasi, reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih lambat dengan peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut karakteristik air gap line [5].

2.8.2 Karakteristik Hubung Singkat

Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang dihubung singkat terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain : a.) Generator diputar pada kecepatan nominal

b.) Atur arus medan (I ) pada nol

c.) Hubung singkat terminal

d.) Ukur arus armatur (I ) pada setiap peningkatan arus medan (If)

Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar 2.20 berikut.

Gambar 2.20 Rangkaian Hubung Singkat

Dari Gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah persamaan (2.26) E a = V + I (R + jX )............................................ (2.26)

t a a s

Pada saat generator sinkron dihubung singkat, V = 0 dan I = I . Maka persamaan

t a sc

menjadi persamaan (2.27) E a = I (R + jX ) ......................................... (2.27)

sc a s Ø maka persamaan nya menjadi persamaan (2.28).

E a = Cn Ø = I

Cn (R + jX )....................................... (2.28)

sc a s

Karena Cn dan (R + jX ) bernilai konstan, maka persamaan nya menjadi

a s

persamaan (2.29) Cn = k ........................................................... (2.29)

sehingga menjadi persamaan (2.30) (R + jX ) = k .............................................. (2.30)

a s

2 Sehingga menjadi persamaan (2.31)

k .I = I sc . k ................................................. (2.32)

1 f

sehingga menjadi persamaan (2.33)

= .......................................................... (2.34)

2 Pengujian hubung singkat terkait dengan karakteristik hubung singkat yaitu

hubungan antara arus jangkar I a dengan arus penguat/eksitasi I f . Pada pengujian hubung singkat mula-mula arus medan dibuat menjadi nol dan terminal jangkar dihubung singkat. Lalu arus jangkar diperbesar dengan menaikkan secara bertahap arus medan hingga tercapai nilai arus jangkar maksimum.

Pada karakteristik generator hubung singkat bentuk kurva adalah linear. Hal ini disebabkan oleh medan magnet yang terjadi sangat kecil sehingga inti besi tidak mengalami saturasi. Gambar 2.21 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik hubung singkat pada generator sinkron [5].

Gambar 2.21 Karakteristik Hubung Singkat

Ketika generator dihubung singkat, arus armatur pada persamaan (2.35) = = ........................... (2.35)

Harga Mutlaknya adalah pada persamaan (2.36)

= .................................(2.36)

2 �

Dimana: I sc =Arus Hubung Singkat

I a = Arus Jangkar C = Konstanta n = Jumlah Putaran I f = Arus Medan R a = Tahanan Jangkar X s = Reaktansi Sinkron E a = Tegangan Induksi

2.8.3 Karakteristik Berbeban

Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban antara lain sebagai berikut : a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)

b.) Beban (Z ) terpasang pada terminal generator sinkron

c.) Arus medan (I ) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap

d.) Catat tegangan terminal (V ) pada setiap peningkatan arus medan (I ) yang

t f

terlihat pada gambar 2.22 berikut:

Gambar 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban

Dari Gambar 2.22 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban pada persamaan (2.37) E = V + I (R + jX )........................ (2.37)

a t a a s

Sehingga menjadi persamaan (2.38) V = E - I (R + jX ) ........................ (2.38)

t a a a s

Dimana : V = Tegangan Terminal I = Arus Jangkar

t a

R a = Tahanan Jangkar X s = Reaktansi Sinkron E a = Tegangan Induksi

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar bersifat reaktif karna itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (X m ). reaktansi ini bersama- sama dengan reaktansi fluks bocor (X ) yang dikenal dengan reaktansi sinkron

(X s ). Pada generator berbeban, I a = I bernilai konstan karena beban (Z )

L L

tetap.terlihat pada gambar 2.23 di bawah ini:

Gambar 2.23 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban

Watak berbeban suatu generator sinkron merupakan penggambaran dari hubungan antara tegangan terminal (V t ) dan arus medan (I a ) dimana beban generator tetap, dan jumlah putaran tetap [5].

2.9 Pengaturan Tegangan Terminal

Gambar 2.24 Prinsip Kerja Generator sinkron 3 fasa Dimana tegangan terminal dituntut untuk bekerja stabil dalam sistem. Seperti pada gambar 2.24 Seiring perubahan beban maka akan mengalir arus beban (I a ) yg berubah-ubah sesuai dengan perubahan beban. Yang berpengaruh pada tahanan (R ) dan reaktansi sinkron (X ) atau yang disebut dengan impedansi

a s

sinkron (Z s ). arus beban akan merubah harga tegangan induksi jangkar (E a ) sesuai dengan persamaan (2.20) yaitu V = E - I (R + jX ). oleh sebab itu untuk menjaga

t a a a s

tegangan terminal agar tetap stabil seiring dengan perubahan arus beban yaitu dengan mengatur tegangan induksinya (E a ). dimana tegangan induksi seperti Ø pada beban nol. Sehingga untuk mengatur persamaan (2.13) dimana E a =Cn tegangan induksi dilakukan dengan mengatur jumlah putaran (n) dan fluksi magnetik ( Ø).

Pengaturan jumlah putaran mengakibatkan Penggerak mula (Prime

Mover). karena kecepatan putaran rotor diputar dengan menggunakan energi

mekanis yang berasal dari penggerak mula. Penggerak mula dioperasikan dengan menggunakan energi primer (Ep) dan energi sekunder (Es) yang berhubungan dengan bahan bakar.

Sedangkan pengaturan fluksi magnetik berdasarkan eksitasi yang diberikan. Yaitu dengan memberikan tegangan DC (V f ) pada kumparan medan.

Pada rangkaian tertutup akan mengalir arus DC (I ). Arus DC yang mengalir pada

kumparan medan akan menimbulkan medan magnet (B) yang menghasilkan Fluksi yang besarnya sama terhadap waktu. Ketika rotor diputar oleh penggerak mula maka fluks akan ikut berputar sehingga akan timbul medan putar yang akan memotong kumparan jangkar sehingga dihasilkan ggl induksi pada kumparan stator akibat adanya peristiwa induksi elektromagnetik.

2.10 Rugi-Rugi Generator Sinkron

Rugi-rugi yangterdapat pada generator sinkron dibagi menjadi beberapa bagian diantaranya :

1. Rugi-rugi tembaga rotor dan stator (copper losses) 2.

Rugi-rugi inti (core losses) 3. Rugi-rugi mekanik (mechanical losses) 4. Rugi-rugi nyasar (stray losses)

Rugi-rugi angin dan gesekan dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk dari bagian yang berputar, rancangan sudu kipas rotor, desain bantalan (bearing) dan susunan rumah (housing) mesin. Rugi yang hilang tersebut berupa daya yang diperlukan untuk memutarkan kipas guna mensirkulasi udara pendingin dan gesekan bantalan dan sikat.

Rugi-rugi inti dan besi (P ) disebabkan oleh fluksi utama mesin dan terjadi

terutama pada gigi-gigi stator (jangkar), pada bagian inti jangkar dekat gigi-gigi stator dan pada permukaan kutub rotor. Inti stator umumnya dibentuk dari laminasi tipis baja silikon yang terisolasi satu sama lain untuk membatasi rugi- rugi histeresis dan arus eddy pada baja.

Rugi-rugi mekanik dan inti sering digabung bersama yang disebut dengan rugi-rugi beban nol pada mesin. Pada keadaan beban nol, daya input mesin digunakan untuk mengatasi rugi-rugi ini. Oleh karena itu pengukuran daya input stator.

2 Rugi-rugi tembaga rotor (P = I .R ) dihitung dari arus medan dan

RCL f f

tahanan arus searah dari kumparan penguat pada suhu 75

C. Jatuh tegangan pada cincin kolektor sikat umumnya diabaikan, tapi bisa juga disertakan dalam rugi-

rugi penguat. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (P = 3I .R ) pada

SCL A A

umumnya dihitung dari tahanan arus searah kumparan jangkar pada suhu 75

Gambar 2.25 Diagram Aliran daya Generator sinkron

Dari gambar 2.25 dapat dilihat bahwa persamaan (2.39) di bawah ini: …….. (2.39)

= √3

Maka semakin baik faktor daya yang dihasilkan maka daya out put juga semakin

besar, dengan kata lain rugi – rugi yang dihasilkan menjadi lebih kecil. Maka dari

Persamaan 2.39 dapat disimpulkan semakin baik faktor daya, maka efisiensi yang

dihasilkan juga semakin baik [1].

2.11 Pengaruh Faktor Daya Terhadap Regulasi dan Efisiensi

Adapun faktor yang menjadi keunggulan generator sinkron dibandingkan dengan generator yang lain adalah tingkat regulasi tegangan (VR) adalah suatu ukuran kemampuan dari sebuah generator untuk menjaga tegangan terminal tetap konstan walaupun terjadi perubahan beban. Regulasi tegangan dapat didefenisikan dengan persamaan (2.40)

−

= 100%.............(2.40) Dimana: E

= Tegangan terminal generator pada saat beban nol

Vt = Tegangan terminal generator pada saat beban penuh [volt] Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka efisiensi generator sinkron dapat dituliskan sebagai persamaan (2.41).

= 100% ............(2.41)

dimana :

P = P

Σ rugi P

in out P = daya keluaran out

P = daya masukan in

2.12 Faktor Daya

Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu:

Daya semu (S), VA (Volt Amper)
Daya aktif (P), Watt • Daya reaktif (Q), VAR (Volt Amper Reaktif)

Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt. Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban.

Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat,

VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan

generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik/industri juga

terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya,

yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya

reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik

sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi

elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban

(kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik.

Gambar 2.26 Segitiga Daya

Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt)

dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya

semu/daya total (lihat Gambar 2.26). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan

sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya

selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Faktor daya menggambarkan sudut phasa antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya yang rendah merugikan karena mengakibatkan arus beban tinggi. Perbaikan faktor daya ini menggunakan kapasitor [5].

Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah faktor daya dari dapat ditentukan dengan persamaan (2.42) cos φ menjadi cos φ

– ) VAR ...................... (2.42) ΔQ = P Tan (φ φ

2 Gambar 2.27 Perbaikan Faktor Daya

Kemudian besar nilai kapasitornya dapat dihitung dengan persamaan (2.43)

∆

= = ∆ ………. (2.43)

2 Dimana :

: adalah faktor daya sebelum diperbaiki φ

: adalah faktor daya sesudah diperbaiki φ

2 perfasa : Besar nilai kapasitor perfasa

ΔC ΔQ : Jumlah daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya (VAR) 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 factor daya beban, seperti pada Gambar 2.28 , 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.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.28 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah (a) Induktif, (b) Resistif, (c) Kapasitif.

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 [8].

2.13 Regulasi Tegangan

Jika pada sebuah generator dilakukan pengukuran tegangan dalam keadaan

tanpa beban dan berbeban, ternyata terdapat perbedaan dari hasil pengukuran

tersebut. Dimana terlihat bahwa dengan berubahnya beban maka tegangan terminal

dari generator juga akan berubah. Perubahan besarnya (magnitude) tegangan tidak

hanya tergantung dari besarnya beban, tetapi juga dipenga ruhi cos φ beban.

Pengaturan tegangan (voltage regulation) dari suatu generator sinkron dapat didefinisikan sebagai perubahan tegangan terminal dari beban nol (no-load) ke beban penuh (full-load) dengan menjaga eksitasi medan dan putaran tetap, dibagi dengan tegangan beban penuh (full-load). Dimana tegangan pada terminal dari generator sinkron tergantung dari beban yang terpasang dan juga faktor daya (power factor) beban tersebut. Pengaturan tegangan ini dinyatakan dalam persen (%) dari tegangan nominal dan perbedaan tegangan bukan secara vektor, tetapi besaran yang dinyatakan dalam persamaan (2.44)

− = 100% ………(2.44) diketahui:

VR = Regulasi Tegangan V = Tegangan Terminal t

E = Tegangan Induksi f

Perlu dicatat bahwa E - V adalah selisih aritmatik bukan selisih fasor. _FL

Faktor – faktor yang mempengaruhi regulasi tegangan sebuah generator sinkron

antara lain :

a.) Jatuh tegangan akibat I R pada belitan jangkar

a a

b.) Jatuh tegangan akibat I

a L

c.) Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar

Gambar 2.29 menunjukkan pengaruh perubahan beban terhadap perubahan .

tegangan terminal dengan faktor daya (power factor) yang berbeda

Gambar 2.29 Pengaruh Perubahan beban terhadap tegangan terminal

Dari Gambar 2.29 dapat dilihat bahwa perubahan tegangan terminal karena

reaksi jangkar bergantung pada arus beban (I ) dan faktor daya (PF) dari beban.

Untuk beban dengan faktor daya mendahului (leading), tegangan terminal tanpa

beban lebih kecil daripada tegangan terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi

tegangan bernilai negatif. Untuk beban dengan faktor daya tertinggal (lagging),

tegangan terminal tanpa beban lebih besar daripada tegangan terminal beban penuh.

Maka, regulasi tegangan bernilai positif. Sedangkan untuk beban dengan faktor daya

1 (unity), nilai tegangan terminal tanpa beban hampir sama dengan nilai tegangan

terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi tegangan bernilai mendekati 0 persen

[5].

2.14 Penentuan Parameter Generator Sinkron 3 Fasa

Dari test :

Ea dari test beban nol (Open Circuit)
Ia dari test hubung singkat (Short Circuit) Diperoleh Reaktansi Xd (d-axis) sehinga di dapat persamaan

= ℎ

Dari test :

tegangan dan arus dari Test Slip Diperoleh Reaktansi Xq (q-axis) sehinga di dapat persamaan

( ) =

( ) ( )

= ( )

Dari Test Berbeban :

V (Tegangan Terminal) E = Tegangan Beban Nol

t f

I a (Arus Jangkar) VR = Regulasi Tegangan - P out

(Daya Output) η = Efisiensi

2.15 Metode Penentuan Tegangan Terminal Generator Sinkron

2.15.1 Metode Blondel (Two Reaction Theory)

Dalam pengaturan tegangan dengan metode EMF, Reaksi jangkar dihitung dengan cara diekivalensikan terhadap tegangan reaktansi jangkar, dalam bentuk ini adalah pengembangan dari konsep reaktansi sinkron. Ini memungkinkan hanya digunakan pada mesin non salient pole. Dimana celah udaranya dianggap uniform dan reluktansi rangkaian magnetik adalah benar-benar konstan.

Dalam mesin salient pole, mmf jangkar tidak dapat ditentukan hanya dengan mengandalkan reaktansi ekivalennya, karena celah udaranya tidak uniform dan reluktansi sepanjang kutub d-axis lebih kecil dari q-axis [3].

Perbedaaan harga reluktansi dalam kutub dan antar kutubnya membuat analisa mesin rotor salient pole benar-benar berbeda dari mesin rotor silinder.

Disini pengaruh salient pole dapat dihitung dengan bantuan two reaction theory seperti yang diusulkan oleh BLONDEL. Teori ini menyatakan bahwa arus jangar I harus diselesaikan dalam bentuk dua komponen, yakni F ad (I d ), dalam waktu q- axis dengan E f (sebagai komponen magnetising atau demagnetising) yang hanya menghasilkan perubahan kekuatan fluksi medan. Komponen yang kedua, adalah F aq (I q ) yang sefasa dengan E f (cross magnetising) dan hanya menghasilkan distorsi dari fluksi medan [6].

BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA - Analisis Penentuan Tegangan Terminal, Regulasi, Dan Efisiensi Generator Sinkron 3 Fasa Rotor Salient Pole Dengan Metode Blondel (Two Reaction Theory)