Generator Sinkron

Sejarah dan Struktur Organisasi PT Indonesia Power

III.2 Generator Sinkron

III.2.1 Pengertian Generator

Generator adalah suatu mesin listrik di mana dalam proses kerjanya melakukan konversi energi, yaitu dari energi mekanis menjadi energi elektrik. Proses konversi energi tersebut dilakukan sebagai aplikasi nyata dari Hukum Faraday terkait dengan tegangan induksi, yaitu:

(persamaan 3-6)

di mana: e_induksi = tegangan yang dibangkitan

d = fungsi dari fluks

dt = fungsi dari waktu

tanda negatif diberikan pada persamaan tersebut sebagai symbol bahwa besarnya tegangan yang dibangkitkan adalah suatu vektor dengan arah yang berlawanan dengan vektor dari fluks.

Generator sinkron adalah suatu mesin listrik dimana terjadi konversi energi mekanik yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang memotong suatu medan elektromagnet yang dihasilkan di stator sehingga kemudian menimbulkan energi elektrik. Secara prinsip, generator sinkron memiliki kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnet yang terletak di antara kutub magnit Utara dan Selatan yang diputar oleh suatu penggerak mula. Hasil perputaran tersebut kemudian akan menimbulkan medan magnet berupa fluks. Fluks yang timbul ini bersumber dari suatu sumber AC yang memiliki fungsi sinusoidal sehingga arah putaran dari fluks ini akan berganti setiap ½ periode.

Fluks putar yang berganti – ganti arah tersebut kemudian akan memotong kumparan stator sehingga pada stator akan timbul gaya gerak listrik. Gaya gerak listrik tersebut, akibat pengaruh dari induksi fluks putar yang memiliki sumber AC, juga akan bersifat bolak – balik yang berarti bahwa berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan penggerak

mulanya.

III.2.3 Dasar – Dasar Pembangkitan Daya Generator Sinkron

Pada generator sinkron, ada beberapa hal dasar yang perlu diketahui sehubungan dengan proses pembangkitan, yaitu:

 Lilitan yang berputar dengan putaran konstan pada alur medan magnet homogen  Lilitan yang dalam keadaan diam pada suatu medan magnet homogeny yang berputar

konstan

 Prinsip Induksi Heteropolar (asiklis)

Prinsip Induksi Heteropolar atau asiklis menjelaskan bahwa apabila sepotong kawat berada dalam medan magnet diputar pada sumbunya, maka kawat tersebut akan memotong garis – garis gaya sehingga fluksi yang dilingkupinya sebesar:

(persamaan 3-6)

Menurut Hukum Faraday,

(persamaan 3-7)

sehingga akan diperoleh persamaan

(persamaan 3-8) karena (persamaan 3-9) di mana bila , maka , maka (persamaan 3-10)

apabila prinsip tersebut diterapkan terhadap kumparan di mana kumparan merupakan gabungan sejumlah belitan kawat, maka persamaan di atas akan dimodifikasi menjadi:

(persamaan 3-11)

yang kemudian dapat ditulis ulang menjadi:

(persamaan 3-12)

di mana: N = jumlah eblitan

ω = kecepatan putaran (

ê = emaks =

EN = ggl induksi yang dibangkitkan pada sejumlah N belitan kawat

III.2.4 Medan Magnet pada Generator Sinkron

Pada generator sinkron, terdapat dua jenis medan magnet:

Medan Utama

Medan Utama adalah medan yang mempengaruhi kerja dari generator sinkron. Terdapat dua jenis medan utama, yaitu:

1. Magnet Permanen

Medan magnet yang daya magnetisnya tidak dapat diatur dalam suatu batasan tertentu dan secara berangsur – angsur mengalami perlemahan

2. Elektromagnet

Medang magnet dimana daya magnetisnya dapat diatur dalam suatu batasan tertentu. Sebagai arus penguat, dipakai arus searah yang dimasukkan ke dalam belitan melalui sikat ataupun slip-ring. Arus DC ini diambil dari suatu komponen penguat yang disebut dynamo pembangkit atau exciter.

Medan Jangkar

Medan jangkar adalah medan yang timbul di belitan stator, sehingga sering disebut juga sebagai medan stator. Medan ini timbul sebagai hasil superposisi dari medan AC yang berasal dari tiga kumparan stator. Tiga kumparan stator ini mewakili masing – masing phasa dari arus bolak – balik, yaitu R, S, dan T. Sumbunya membentuk sudut

sebesar dan arus yang berbeda phasa sebesar 120^o. Kecepatan dan arah perputaran sama dengan medan utama, sehingga keduanya dapat disuperposisikan.

Besarnya putaran ini dapat diketahui berdasarkan:

(persamaan 3-13)

Atau

(persamaan 3-14)

di mana: n = jumlah putaran per menit

f = frekuensi AC yang dipergunakan

p = jumlah kutub

120 = besarnya perbedaan phasa di antara kutub sumbu

Gambar III-5 – Skema Lilitan Generator 3 Phasa

Besar gaya gerak listrik yang diinduksikan oleh kumparan stator per phasa adalah:

(persamaan 3-15)

di mana: = gaya gerak listrik induksi kumparan stator

f = frekuensi output generator

M = jumlah kumparan per phasa

k_d = faktor distribusi

Φ = fluks magnet per kutub per phasa

dapat dinyatakan juga bahwa , di mana Z = jumlah konduktor seluruh slot per phasa

maka, persamaan tersebut dapat ditulis ulang menjadi:

(persamaan 3-16)

(persamaan 3-17)

di mana

(persamaan 3-18)

Sementara, harga rata – rata dari gaya gerak listrik induksi adalah:

III.2.6 Hubungan Kerja Parallel Generator Sinkron

Kerja parallel adalah pengoperasian beberapa buah generator secara bersama – sama, di mana output dari genset yang beroperasi disalurkan ke beban melalui bus yang sama (common busbar system). Sedangkan yang dimaksud dengan sinkronisasi adalah kerja satu generator untuk kerja parallel dengan generator lainnya, karena pada umumnya generator sinkron yang bekerja utnuk suatu sistem tenaga bekerja parallel dengan banyak generator lain. Kerja parallel antar beberapa generator dilakukan utnuk meningkatkan besarnya daya yang dihasilkan.

Seringkali sistem, dimana generator yang akan dihubungkan, sudah mempunya begitu banyak generator dan beban yang terpasang, sehingga berapapun jumlah daya yang diberikan oleh generator yang baru masuk tidak mempengaruhi tegangan dan frekuensi dari sistem. Hal ini yang disbeut generator terhubung pada sistem yang kuat sekali.

Generator dalam keadaan diam tidak boleh dihubungkan ke jala – jala atau sistem karena pada saat diam, gaya gerak listrik yang terinduksi pada stator adalah nol dan berakibat hubung singkat. Adapun tujuan utma adari pelaksanaan kerja parallel tersebut adalah:

 Penambahan daya

Jika diesel yang terpasang tidak mampu menanggung pertambahan beban listrik maka dengan kerja parallel masalah tersebut dapat di atasi sehingg daya kerja generator dapat diandalkan

 Kontinuitas

Jika ada gangguan dari sumber listrik, maka beban akan tetap mendapatkan supply listrik sehingga tidak terjadi pemutusan supply. Selain itu, keadaan parallel

menjamin kestabilan tegangan dan frekuensi walaupun besar beban yang ditanggung berubah – ubah.

Efisiensi maksimum dari generator dapat tercapai juka generator mengirimkan supply untuk beban puncak, begitu pula jika generator dioperasikan parallel dengan generator lainnya.

Pada Generator Sinkron, terdapat hubungan kerja parallel, yaitu:

1. Generator parallel dengan jala – jala AC 2. Generator parallel dengan generator lain

Syarat kerja parallel dari generator adalah:

 Tegangan pada generator pertama sama dengan tegangan pada generator kedua  Frekuensi ataupun kecepatan sudut dari generator pertama harus sama dengan

frekuensi maupun kecepatan sudut dari generator kedua  Urut – urutan phasa dari kedua generator sama.

 Vektor tegangan yang saling berhimpit antara tegangan dari generator pertama dengan jala – jala dari generator kedua.

Generator yang akan digunakan untuk kerja parallel pentanahannya hanya dilakukan pada salah satu generator saja. Hal tersebut bertujuan untuk menhindari terjadinya aliran harmonisa ketiga antar generator yang dapat merusak generator.

Gambar III-6 – Struktur Generator Sinkron

Suatu mesin sinkron dapat bekerja sebagai generator maupun sebagai motor. Hal ini dikarenakan keduanya memiliki konstruksi yang serupa. Perbedaannya terletak pada fungsi konversi yang dilakukan, yaitu bila pada generator, mesin sinkron mengubah energi mekanis dari suatu penggerak mula berupa turbin untuk menghasilkan energi elektrik, maka pada motor, mesin sinkron memanfaatkan energi elektrik untuk menjadi energi mekanis yang akan memutar suatu beban. Adapun konstruksi mesin sinkron terdiri dari:

 Rangka Mesin

Rangka mesin berfungsi sebagai pemegang inti jangkar atau stator. Pada mesin besar putaran rendah dengan diameter yang sangat besar, rangka mesin seringkali dibuat menjadi bagian – bagian yang dapat dilepas untuk mempermudah

pengangkutan. Rangka mesin terbuat dari besi cor  Inti Stator

Inti stator terbuat dari lembaran – lembaran besi elektris yang terlaminasi.

Lembaran ini diikat menjadi satu dan membentuk stator. Laminasi dilakukan agar rugi arus eddy menjadi kecil. Inti stator mempunyai alur – alur di mana kumparan stator diletakan seperti pada gambar.

 Rotor

Ada dua jenis rotor yaitu rotor kutub menonjol (salient pole) dan rotor kutub silindris. Rotor kutub menonjol dipakai pada mesin dengan putaran rendah atau menengah. Untuk mesin yang besar, kumparan rotor seringkali dibuat dari kawat persegi. Rotor dengan kutub silindris biasanya dipergunakan pada generator yang digerakkan oleh turbin uap (kecepatan tinggi). Untuk putaran rendah, biasanya berdiameter kecil dan panjang. Kumparan rotor diatur sedemikian sehingga agar terdapat fluks maksimum pada suatu posisi tertentu.

 Kumparan peredam

Sering juga disebut kumparan sangkar, yang terdiri dari batang – batang aluminium atau tembaga yang ujung – ujungnya dihubung singkat. Kumparan ini berguna untuk meredam osilasi sehinga tidak terjadi hunting atau perubahan kecepatan sesaat.

III.2.8 Sistem Pendinginan

Sistem pendinginan pada generator dapat dibedakan menjadi:  Pendinginan dengan udara

Generator dengan kapasitas daya di bawah 15 MW didinginkan dengan udara biasa yang dialirkan melalui cutting menuju stator dan air gap

 Pendinginan dengan Hidrogen

Generator dengan kapasitas daya di atas 15 MW didinginkan dengan Hidrogen, tetapi instalasi generator menjadi lebih sulit karena membutuhkan faktor keamanan yang tinggi untuk mencegah adanya kebocoran yang dapat menyebabkan

III.2.9 Pengaturan Tegangan

Tegangan pada terminal dari generator sinkron bergantung dari beban yang terpasang dan juga faktor daya dari beban tersebut. Pengaturan tegangan atau voltage regulation dari suatu generator sinkron didefinisikan sebagia perubahan tegangan dari beban nol ke beban penuh dengan menjaga eksitasi tetap dan putaran tetap. Untuk mesin – mesin kecil,

pengaturan tegangan dapat diperoleh secara langsung. Untuk memperoleh harga teganan pada beban nol, E0, generator sinkron diputar pada kecepatan normal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal V pada beban penuh dan kemudian beban dilepas dengan juga menjaga agar putaran serta arus penguat tetap konstan.

Hal ini kemudian disebut sebagai regulasi tegangan, yang diartikan sebagai batasan agar kerja generator berada dalam tingkat yang dapat ditoleransi, yang dapat dihitung melalui persamaan:

(persamaan 3-20)