PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON
TERHADAP PERUBAHAN ARUS DAN FAKTOR DAYA BEBAN
( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT-USU )
O L E H
NAMA : ELMAN FAERI LASE
NIM : 070422007
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
i
ABSTRAK
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis
berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Dalam operasinya, Generator
Sinkron dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini
mempengaruhi tegangan terminal (tegangan keluaran) generator yang selalu dituntut
agar tetap stabil. Untuk mengendalikan tegangan terminal agar tetap stabil maka
diaturlah kuat arus eksitasinya. Akibat pengaturan arus eksitasi maka pada generator
terjadi perubahan drop tegangan pada belitannya sehingga regulasi tegangan berubah.
Dalam Tugas Akhir ini, dibahas mengenai regulasi tegangan generator sinkron
sebelum dan sesudah pengendalian tegangan untuk arus dan faktor daya beban yang
berubah-ubah. Dalam hal ini penulis mengambil aplikasi pada Generator Sinkron Tiga
Fasa pada Laboratorium Konversi Energi Iistrik FT.USU.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan yang maha kuasa atas rahmat dan
karunia sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul :
PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON TERHADAP
PERUBAHAN ARUS DAN FAKTOR DAYA BEBAN
Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk
memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis banyak
memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati
penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir.Sumantri Zulkarnain, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala
bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Masykur Sjani, selaku dosen Wali penulis, atas bimbingan dan
arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim. M.si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro
FT-USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzy, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik
Elektro FT-USU.
4. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan
di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.
5. Kepada kedua orangtua dan adik saya yang telah memberikan dukungan,
semangat, motivasi dan kasih sayang yang tak ternilai besarnya.
6. Kepada teman-teman anak Ekstensi elektro USU 2007, Ardi, Boy, Candra, dan
iii
7. Kepada teman-teman kost yang selalu memberi semangat dan motivasi kepada
penulis.
8. Kepada Pak Zul M. Tel, Pak T. Hulu, Sabjan Zamasi, Velix, Happy dan
teman-teman lainya yang telah memberikan dorongan semangat kepada penulis.
9. Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah banyak membantu
penulis dalam proses pengambilan data.
10.Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan
kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan
memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya.
Medan, Penulis,
Elman Faeri Lase NIM. 070422007
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... i i DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penulisan ... 2
1.3 Mamfaat Penulisan ... 2
1.4 Batasan masalah ... 2
1.5 Metode Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II GENERATOR SINKRON 2.1 Umum ... 5
2.2 Konstruksi Generator Sinkron ... 6
2.2.1 Stator... 7
2.2.2 Rotor ... 10
2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron ... 12
2.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron ... 14
2.5 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 16
2.6 Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron ... 19
2.7 Efek Perubahan Beban Pada Generator Yang Beroperasi Sediri ... 21
v
BAB III KAREKTERISTIK GENERATOR SINKRON DAN PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON
3.1. Parameter Generator Sinkron ... 25
3.1.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : E0 = E0 (If) ... 25
3.1.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat : Isc = Isc (If) ... ... 27
3.1.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban : V = V(If) ...30
3.1.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : VΦ = f (IL)... ...30
3.1.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL) ...33
3.1.6 Pengukuran Tahanan Jangkar ... 32
3.1.7 Menentukan Impedansi dan Reaktansi Sinkron ... 32
3.2 Pengendalian Tegangan Terminal Generator ... 37
3.4 Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Metode Impedansi Sinkron... 41
BAB IV PENENTUAN PARAMETER DAN ANALISA PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SIKRON 4.1 Umum ... 45
4.2 Peralatan Yang Digunakan ... 45
4.3 Percobaan Menentukan Parameter Generator Tiga Phasa ...48
4.3.1 Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ... 48
4.3.2 Percobaan Beban Nol ... 49
4.3.3 Percobaan Hubung Singkat ... 50
4.3.4 Percobaan Berbeban ... 51
4.4 Data Hasil Percobaan ... 54
4.4.1 Data Hasil Percobaan Tahanan Jangkar ... 54
4.4.2 Data Hasil Percobaan Beban Nol ... 55
4.4.3 Data Hasil Percobaan Hubung Singkat ... 56
4.4.4 Penentuan Parameter Generator Sinkron ... 57
4.4.5 Data Hasil Percobaan Berbeban ... 59
4.5. Perhitungan Regulasi Tegangan ... 60
4.5.1. Perhitungan Regulasi Tegangan Terminal Berdasarkan Data Hasil Percobaan ... 60
4.5.2. Perhitungan Regulasi Generator Berdasarkan Metode Impedansi Sinkron ... 61
4.6 Grafik Hasil Percobaan ... 63
BAB V KEIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...67
5.2 Saran ...67
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Tabel Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ... 54
Tabel 4.2 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan ... 55
Tabel 4.3 Data Arus Hubung Singkat Sebagai Fungsi Arus Medan ... 56
Tabel 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat ... 58
Tabel 4.5 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Resistif ... 59
Tabel 4.6 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Induktif ... 59
Tabel 4.7 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Kapasitif ... 59
Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Tegangan Terminal Berdasarkan Data Percobaan ... 60
Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Generator Sinkron ... 62
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1(a) Generator AC Satu Fasa Dua Kutub ... 5
Gambar 2.1(b) Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub ... 5
Gambar 2.2 Konstruksi Generator Sinkron ... 6
Gambar 2.3 Bentuk-bentuk Alur ... 8
Gambar 2.4 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa ... 8
Gambar 2.5 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa ... 9
Gambar 2.6 Rotor Kutub Menonjol... 11
Gambar 2.7 Rotor Rotor Kutub Slinder ... 12
Gambar 2.8 Model Reaksi Jangkar ... 15
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 17
Gambar 2.10 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 18
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa ... 18
Gambar 2.12(a) Rangkaian Ekivalen Tiga Fasa Generator Hubungan Y ... 19
Gambar 2.12(b) Rangkaian Ekivalen Tiga Fasa Generator Hubungan Δ ... 19
Gambar 2.13 Perubahan Fasor Untuk Berbagai Beban Yang Berubah... 22
Gambar 2.14 Kurva Arus Jangkar Vs Arus Medan Untuk Tiga Faktor Daya ... 23
Gambar 2.15 Segitiga Daya ... 24
Gambar 3.1 Rangkaian Test Tanpa Beban ... 26
Gambar 3.2 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC) ... 26
Gambar 3.3 Gambar Rangkaian Hubung Singkat ... 27
Gambar 3.4 Karakteristik Hubung Singkat ... 29
Gambar 3.5 (a) Diagram fasor hubung singkat ... 29
Gambar 3.5 (b) Diagram Fasor Medan Magnet saat Hubung Singkat ... 29
Gambar 3.6 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban ... 30
ix
Gambar 3.8 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif ... 33
Gambar 3.9 Karakteristik Pengaturan Generator ... 35
Gambar 3.10 Sistem Eksitasi Dengan Pilot Exciter ... 39
Gambar 3.11 Sistem Eksitasi Dengan Main AC Exciter Dan Stationary Silicon Controlled Rectifier ... 40
Gambar 3.12 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (brushless excitation system) ... 41
Gambar 3.13 Plot Diagram Metode Impedansi Sinkron ... 42
Gambar 3.14 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Terbelakang (Lagging) ... 39
Gambar 3.15 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Satu (Unity) ... 40
Gambar 3.16 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Mendahului (Leading) ... 40
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ... 48
Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol ... 49
Gambar 4.3 Rangkaian Hubung Singkat ... 50
Gambar 4.4 (a) Rangkaian Percoban Berbeban ... 52
Gambar 4.4 (b) Rangkaian Beban Resitif ... 52
Gambar 4.4 (c) Rangkain Beban Kapasitif ... 52
Gambar 4.4 (d) Rangkain Beban Induktif ... 52
Gambar 4.5 Karakteristik Beban Nol ... 56
Gambar 4.6 Karakateristik Hubung Singkat ... 57
Gambar 4.7 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban resistif ... 63
Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Induktif ... 64
Gambar 4.9 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Kapasitif ... 64
Gambar 4.10 Grafik Hubungan If (mA) dengan Ia (A) pada pengendalian tegangan terminal generator sinkron ... 65
Gambar 4.11 Grafik hubungan %VR dengan Ia (A) ... 65
ABSTRAK
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis
berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Dalam operasinya, Generator
Sinkron dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini
mempengaruhi tegangan terminal (tegangan keluaran) generator yang selalu dituntut
agar tetap stabil. Untuk mengendalikan tegangan terminal agar tetap stabil maka
diaturlah kuat arus eksitasinya. Akibat pengaturan arus eksitasi maka pada generator
terjadi perubahan drop tegangan pada belitannya sehingga regulasi tegangan berubah.
Dalam Tugas Akhir ini, dibahas mengenai regulasi tegangan generator sinkron
sebelum dan sesudah pengendalian tegangan untuk arus dan faktor daya beban yang
berubah-ubah. Dalam hal ini penulis mengambil aplikasi pada Generator Sinkron Tiga
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis
berupa putaran menjadi energi listrik. Energi mekanis diberikan oleh penggerak
mulanya sedangkan energi listrik akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Dengan
ditemukannya Generator sinkron atau alternator, telah memberikan hubungan yang
penting dalam usaha pemanfaatan energi yang terkandung pada batu bara, air, minyak,
gas uranium ke dalam bentuk yang bermanfaat dan mudah digunakan yaitu listrik dalam
rumah tangga dan industri.
Konstruksi umum dari suatu Generator sinkron terdiri dari penggerak mula,
rotor atau bagian yang berputar, stator atau bagian yang diam, dan celah udara antara
stator dan rotor. Konstruksi rotor sendiri terdiri atas Rotor Silinder dan Rotor Kutub
Sepatu yang masing-masingnya memiliki fungsi yang berbeda. Disamping itu juga perlu
rangkaian eksitasi sebagai penghasil tegangan induksi pada terminal jangkar. Untuk
Generator sinkron yang besar, rangkaian jangkar diletakkan pada Stator untuk
menghindari timbulnya bunga api jika rangkaian jangkar pada bagian rotor.Untuk
Rangkaian Eksitasi dapat dibagi atas dua yaitu eksitasi dengan sikat dan tanpa sikat.
Alternator tiga fasa dituntut untuk bekerja stabil (tegangan dan frekuensi
yang dihasilkan tetap stabil). Ketidakstabilan kedua hal tersebut sangat berpengaruh
terhadap beban terutama beban-beban elektronik. Selain itu kestabilan kedua hal
tersebut sangat penting jika sebuah alternator diparalelkan dengan alternator yang lain
untuk melayani beban yang makin besar. Seiring makin besarnya jumlah beban yang
harus dilayani oleh sebuah Alternator, ditambah dengan makin beragamnya beban yang
ada, tentu memerlukan pengaturan kerja dari sebuah Alternator. Fluktuasi yang terjadi
pada beban antara lain impedansi beban. Dimana jumlah beban yang harus dilayani
tidak sama untuk setiap saat, ini berpengaruh pada impedansi total beban. Impedansi
beban mempengaruhi faktor daya dari beban, yang kemudian hal itu berpengaruh pada
Arus Beban. Karena tegangan dituntut untuk tetap stabil, maka fluktuasi Arus Beban
akan mengakibatkan ketidakstabilan tegangan. Untuk itulah perlu dilakukan perubahan
pada Arus Eksitasi.
Dalam Tugas akhir ini penulis akan membandingkan hasil percobaan
sebelum dan sesudah pengendalian generator sinkron. Pengendalian ini dilakukan
dengan cara mengatur arus eksitasinya sehingga tegangan terminal generator dapat di
jaga konstan walaupun arus dan faktor daya beban berubah-ubah. Untuk memperoleh
data tugas akhir ini penulis akan melakukan percobaan pada Laboratorium Konversi
Energi Listrik FT USU. Dari data yang diperoleh dan perhitungan menggunakan rumus
maka hubungan antara tegangan terminal (Vt), arus medan (If), arus beban (Ia), faktor
daya dan regulasi tegangan dapat di tentukan. Untuk membantu dalam perhitungan
penulis menggunakan bantuan komputer dalam melakukan pengolahan data.
1.2. TUJUAN PENULISAN
Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui
hubungan antara arus eksitasi, arus beban dan faktor daya beban terhadap tegangan
terminal generator sinkron.
1.3. MANFAAT PENULISAN
Manfaat dari Tugas Akhir ini adalah untuk lebih memahami tentang
generator sinkron serta efek perubahan arus dan faktor daya beban terhadap tegangan
3
1.4. BATASAN MASALAH
Untuk memfokuskan masalah yang ingin dibahas, perlu dibuat batasan
masalah. Adapun batasan masalah dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Generator Sinkron yang penulis ambil sebagai aplikasi adalah Generator Sinkron
Tiga Fasa pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT.USU.
2. Beban yang digunakan adalah beban tiga fasa seimbang.
3. Keadaan yang dipakai adalah keadaan mantap.
1.5. METODE PENULISAN
Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan
beberapa metode studi diantaranya :
1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan
topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh
penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet
dan lain-lain
2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium
Konversi Energi Listrik FT USU
3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas
akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak
jurusan Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi
Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan
teman-teman sesama mahasiswa.
1.6. SISTEMATIKA PENULISAN
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan
Bab ini berisikan tentang gambaran umum mengenai tugas akhir yang
memuat latar belakang penulisan judul, tujuan dan manfaat penulisan,
batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II : Generator Sinkron
Bab ini berisikan tentang teori umum Generator Sinkron mencakup
konstruksi, prinsip kerja, pembangkitan tegangan, dan rangkaian ekivalen.
BAB III : Parameter Dan Pengendalian Tegangan Terminal Generator Sinkron
Bab ini berisikan tentang teori penentuan parameter Generator Sinkron yaitu
Tahanan (Ra), Reaktansi Sinkron (Xs), parameter beban nol, parameter
hubung singkat dan parameter-parameter lain dari generator sinkron. Selain
itu bab ini juga berisi tentang teori dalam pengendalian tegangan terminal
generator sinkron dengan mengatur arus eksitasi generator tersebut.
BAB IV : Penentuan Parameter dan Analisa Pengendalian Tegangan Terminal
Generator Sinkron Tiga Fasa (Percobaan pada Lab. Konversi Energi Listrik
FT. USU)
Bab ini berisikan tentang jenis komponen dan spesifikasi peralatan
percobaan, rangkaian percoban, prosedur percobaaan, data percobaan,
analisis dan grafik hasil percobaan.
BAB VI : Kesimpulan dan Saran
Bab ini berisikan kesimpulan yang didapat selama melakukan penelitian dan
5
BAB II
GENERATOR SINKRON
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
Gambar diagram kedua bentuk generator arus bolak – balik tersebut dapat dilihat
dari Gambar 2.1 berikut.
(a) (b)
Gambar 2.1 (a) Generator AC satu fasa dua kutub
(b) Generator AC tiga fasa dua kutub
Generator sinkron sering dijumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga
listrik (dengan kapasitas yang relative besar). Misalnya pada PLTA, PLTU, PLTD dan
lain-lain. Selain generator dengan kapasitas besar, kita mengenal juga generator dengan
kapasitas yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan untuk penerangan
darurat yang sering disebut Generator Set.
2.2. KONSTRUKSI GENERATOR SINKRON
Generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik
bolak-balik secara elektromagnetik. Energi mekanik berasal dari penggerak mula yang
memutar rotor, sedangkan energi listrik dihasilkan dari proses induksi elektromagnetik
yang terjadi pada kumparan-kumparan stator.
Pada gambar 2.2 dapat dilihat bentuk sederhana dari sebuah generator
sinkron.
7 Secara umum generator sinkron terdiri atas stator, rotor, dan celah udara.
Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam sedangkan rotor adalah
bagian yang berputar. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor.
Pada bagian ini akan dibahas mengenai konstruksi generator sinkron secara
garis besar. Bagian – bagian generator yang dibahas pada bagian ini antara lain :
(a) Stator
(b)Rotor
2.2.1 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:
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 2.3 berikut :
terbuka setengah terbuka tertutup
Gambar 2.3 Bentuk-bentuk alur
d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
merupakan tempat timbulnya ggl induksi.
Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa,
ada dua tipe yaitu:
a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
Gambar 2.4 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, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis αmekdan sudut listrik αlis, adalah:
αlis = P
2αmek… ... (2.1)
9
b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada 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 2.5 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa
Gambar 2.5 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara
umum banyak digunakan. Pada masing masing alur ada dua sisi lilitan dan masing –
masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak ke
dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak ada tegangan dalam
winding overhang.
2.2.2. 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.
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.
c. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros
rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap poros rotor.
Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet
yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa silent pole (kutub menonjol) dan
non silent pole (kutub silinder).
a. Jenis Kutub Menonjol (Silent Pole)
Pada jenis silent pole, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor.
Belitan-belitan medannya dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh
11 Gambaran bentuk kutub menonjol generator sinkron seperti pada gambar 2.6
berikut :
Gambar 2.6 Rotor kutub menonjol
Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan
kecepatan putar rendah dan sedang (120-400 rpm). 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:
Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi angin yang besar dan bersuara bising
jika diputar dengan kecepatan tinggi.
Konstruksi kutub menonjol tidak cukup kuat untuk menahan tekanan mekanis
apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
b. Jenis Kutub Silindris (Non Silent Pole)
Pada jenis non salient pole, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan
rotor. Jenis rotor ini terbuat dari baja tempa halus yang berbentuk silinder yang
mempunyai alur-alur terbuat di sisi luarnya. Belitan-belitan medan dipasang pada
alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh Eksiter. Gambaran
bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.7 berikut :
Gambar 2.7 Rotor kutub silindris
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan
kecepatan putar tinggi (1500 atau 3000 rpm) seperti yang terdapat pada pembangkit
listrik tenaga uap. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan putar tinggi
karena:
Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik yang baik pada kecepatan putar
tinggi
Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih
baik dari kutub menonjol.
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 fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
13
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 menghasilkan 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 :
120
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.
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 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 seperti pada
15 Gambar 2.8 Model reaksi jangkar
Keterangan gambar :
a) Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Jenis beban resistif dimana ΦA tegak
lurus terhadap ΦF.
b) Arus jangkar (I) terdahulu Φ dari GGL (E). Jenis beban kapasitif dimana ΦA
memperkuat ΦF, sehingga terjadi pengaruh pemagnetan.
c) Arus jangkar (I) terbelakang dari GGL (E). Jenis beban Induktif dimana ΦA
memperlemah ΦF, terjadi pengaruh pendemagnetan.
Pengaruh yang ditimbulkannya dapat berupa distorsi, penguatan
(magnetising), maupun pelemahan (demagnetizing) 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 hanya sebatas mendistorsinya
saja tanpa pengaruh kekuatannya (cross magnetizing)
b. Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)
Arus akan tertinggal 900 dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar
akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan
demagnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan melemahkan fluksi arus
medan.
c. Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
Arus akan mendahului tegangan sebesar 900. Fluksi yang dihasilkan arus jangkar
akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar yang terjadi
magnetizing artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus
medan.
d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagaian magnetizing dan sebagaian
demagnetizing. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan sebagian
distortif dan sebagian magnetizing. Sementara itu saat beban adalah induktif,
maka reaksi jangkar akan sebagaian distortif dan sebagaian demagnetizing.
Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.
2.5 RANGKAIAN EKIVALEN GENERATOR SINKRON
Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga.
Belitan-belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu Belitan-belitan konduktor akan
mengandung tahanan (R) dan induktansi (L), maka belitan stator akan mengandung
17 jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka rangkaian ekivalen suatu generator
sinkron dapat dibuat seperti gambar 2.9 berikut:
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen generator sinkron
Dengan melihat Gambar 2.9 maka dapat ditulis persamaan tegangan generator sinkron
sebagai berikut :
Ea = Vt + jXaIa + jXIa + RaIa ... (2.4)
Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
Vt = Ea – jXaIa – jXIa – RaIa ... (2.5)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor
sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = Xa + X dapat dilihat pada Gambar 2.8 maka
persamaan menjadi:
Vt = Ea – jXsIa – RaIa [Volt] ... (2.6)
Dimana :
Vf = Tegangan Eksitasi (Volt)
Rf = Tahanan Belitan Medan (Ohm)
Lf = Induktansi Belitan Medan (Henry)
Radj= Tahanan Varibel (Ohm)
Ea = Ggl yang dibangkitkan generator sinkron (Volt)
Vt = Tegangan terminal generator sinkron (Volt)
Xa = Reaktansi armatur (Ohm)
X = Reaktansi Bocor (Ohm)
Xs = Reaktansi sinkron (Ohm)
Ia = Arus Jangkar (Ampere)
Gambar 2.10 Penyederhanaan rangkaian 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 2.11
berikut:
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa
Sementara itu, rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa untuk tiap
19 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen belitan stator tiga fasa generator sinkron
(a). hubungan – Y dan (b). hubungan – Δ
2.6 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 seringkali tidak dapat dilakukan. Hal ini disebabkan
oleh rating KVA yang sangat tinggi. Terdapat beberapa metode tidak langsung yang
hanya memerlukan sejumlah kecil daya jika dibandingkan dengan 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 (armatur) Ra
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 :
Ra = 1,3 Rdc... (2.7)
2.) 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).
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
21
2.7 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 13 , 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.
Gambar 13a. Beban Induktif
Gambar 13b. Beban Resistif
Gambar 13c. Beban Kapasitif
Gambar 13. Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah
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., 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 berubah-ubah. Selain besarnya
juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai dengan faktor
dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal generator yang stabil. Gambar 14
menunjukkan contoh hubungan antara Arus Jangkar Il dan Arus Medan If untuk tiga
jenis faktor daya, dalam hal ini generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kV
dan daya 400 MVA. Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus
23 Gambar 14. 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.
2.8 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 Ampere)
Daya aktif (P), Watt
Daya reaktif (Q), VAR (Volt Ampere 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 poros, daya
yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk melakukan tugas tertentu.
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 2.15 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 3.15). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut
dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih
25
BAB III
KAREKTERISTIK GENERATOR SINKRON DAN METODE PENGATUR TEGANGAN
3.1 Karakteristik Generator Sinkron
Generator diputar oleh suatu tenaga penggerak untuk menghasilkan tenaga
listrik. Pada prinsipnya putaran generator adalah tetap demikian halnya dengan putaran
generator dalam pembuatan karakteristik-karakteristik harus selalu dipertahankan.
Karakteristik-karakteristik itu adalah:
a.) Karakteristik tanpa beban.
b.) Karakteristik hubung singkat.
c.) Karakteristik berbeban.
d.) Karakteristik luar.
e.) Karakteristik pengaturan.
3.1.1 Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron : E0 = f(If)
Berdasarkan Gambar 3.1, karakteristik tanpa beban (beban nol) pada
generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang
memiliki langkah-langkah sebagai berikut :
a.) Terminal generator dibuka.
b.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n).
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap.
d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If).
Gambar 3.1 Rangkaian test tanpa beban
Dari Gambar 3.1 dapat diperoleh persamaan umum generator :
Ea = Vt + Ia (Ra + jXs) ... (3.1)
Pada hubungan generator terbuka (beban nol), Ia = 0, dan E0 adalah tegangan tanpa
beban, maka :
E0 = Ea = Vt = cn ... (3.2)
Dengan yang dihasilkan hanya If, Sehingga :
E0 =
cnI
f ... (3.3)Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi :
E0 =
k
1.I
f ... (3.4)dimana k1 = cn
Berikut diperlihatkan grafik hubungan E0 vs If yang disebut juga dengan
karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit Characteristic).
27 Dari Gambar 3.2 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.
3.1.2 Karakteristik Hubung Singkat Generator Sinkron : Isc = f(If)
Untuk menentukan karakteristik dan parameter hubung singkat generator
sinkron terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain :
a.) Hubung singkat terminal.
b.) Generator diputar pada kecepatan nominal.
c.) Atur arus medan (If) pada nol.
d.) Ukur arus armatur (Ia) pada setiap peningkatan arus medan (If).
Rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar
3.3 berikut.
Gambar 3.3 Gambar rangkaian hubung singkat
Dari Gambar 3.3, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah :
Sehingga persamaan menjadi :
k1.If = Isc. k2 ... (3.11)
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 3.4 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik hubung
29 Gambar 3.4 Karakteristik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
Ea = Ia (Ra + jXs) ... (3.14)
Harga mutlaknya adalah :
Ia = Isc =
Gambar 3.5 berikut menunjukkan diagram fasor dan medan magnet yang dihasilkan
pada generator yang dihubung singkat.
(a) (b)
Gambar 3.5 (a) Diagram fasor hubung singkat
(b) Diagram Fasor Medan Magnet saat Hubung Singkat
Karena Bstat hampir meniadakan BR, medan magnet Bnet sangat kecil. Oleh
karena itu, mesin tidak saturasi dan SCC berbentuk linear.
Dari kedua test tersebut di atas diperoleh :
Ea dari test beban nol (Open Circuit) Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)
Diperoleh impedansi sinkron :
Zs =
3.1.3 Karakteristik Berbeban Generator Sinkron : Vt = f(If)
Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban
antara lain sebagai berikut :
a.) Hubungkan beban ZL pada terminal generator.
b.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n).
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap.
d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If).
Gambar 3.6 Rangkaian generator sinkron berbeban
Dari Gambar 3.6 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)
Vt = Ea - Ia (Ra + jXs) ... (3.18)
Vt = cnIf - Ia (Ra + jXs) ... (3.19)
31 Vt = cnIf – IL (Ra + jXs) ... (3.20)
IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap dan nilai cn juga konstan, maka :
cn = k1 ... (3.21)
Gambar 3.7 Karakteristik generator sinkron berbeban
3.1.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : Vt = f (IL)
Karakteristik ini akan memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus beban
(IL) terhadap tegangan terminal generator sinkron (Vt). Dalam penentuan karakteristik
luar generator sinkron, beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut :
a.) Kecepatan putar generator sinkron (n) tetap
b.) Arus medan (If ) konstan
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Dari rangkaian generator sinkron berbeban yang telah diperlihatkan pada Gambar 3.6
diperoleh persamaan :
Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)
Sehingga persamaan tegangan terminal Vt generator sinkron dalam keadaan berbeban :
Vt = Ea - Ia (Ra + jXs) ... (3.27)
Dalam hal ini Ia = IL
maka :
Vt = Ea – IL (Ra + jXs) ... (3.28)
Vt = cn – ILZs ... (3.29)
Vt = cnIf – ILZs ... (3.30)
Karena c, n dan If konstan :
k1 = cnIf ... (3.31)
Nilai Zs konstan :
k2 = Zs ... (3.32)
Sehingga :
Vt = k1 – ILk2... (3.33)
Jika arus beban (IL) = 0 (beban nol), maka :
Vt = k1 ... (3.34)
33 IL =
2 1 k k
... (3.35)
Berikut ini merupakan karakteristik luar generator sinkron dengan beban induktif pada
berbagai harga cosφ.
Gambar 3.8 Karakteristik luar generator beban induktif
3.1.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)
Karakteristik ini menunjukkan hubungan antara perubahan arus beban (IL)
dengan terhadap arus medan (If) generator sinkron. Dimana, dalam karakteristik ini
perlu diperhatikan hal-hal berikut :
a.) Tegangan terminal Vt dijaga konstan.
b.) putaran tetap.
c.) Faktor daya (cosφ) tetap.
d.) Arus beban ditambah secara bertahap.
Persamaan untuk generator berbeban (Gambar 3.6) :
Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)
Pada generator berbeban :
IL = Ia
sehingga diperoleh :
If = IL
35 Gambar 3.9 Karakteristik pengaturan generator
3.1.6 Pengukuran Tahanan Jangkar Arus Searah
Pengukuran tahanan jangkar arus searah (rdc) biasanya menggunakan metode
voltmeter-amperemeter. Dimana kumparan jangkar dihubungkan kepada sumber tegangan
arus searah (dc) ketika mesin dalam keadaan diam lalu diukur besar arus yang mengalir
pada kumparan jangkar. Pengukuran dengan menggunakan sumber tegangan dc
dimaksudkan bahwa reaktansi kumparan jangkar akan menjadi nol selama proses
pengukuran. Arus yang mengalir pada kumparan jangkar diatur pada nilai nominalnya
supaya kumparan berada pada temperatur operasi normal. Jika kumparan jangkar terhubung
bintang dan netral tidak tersedia maka besar tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat
dihitung dengan Persamaan 3.40. Sedangkan jika kumparan jangkar terhubung delta maka
tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat dihitung dengan Persamaan 3.41 seperti
berikut :
=
... (3.40)=
... (3.41)dimana : Vdc = Tegangan arus searah pada kedua terminal jangkar (Volt)
Idc = Arus searah yang mengalir pada kumparan jangkar (A)
rdc = Tahanan jangkar arus searah (ohm)
Nilai tahanan jangkar arus searah (rdc) merupakan nilai pendekatan karena
saat kumparan jangkar mengalirkan arus bolak-balik maka nilai tahanan jangkar akan
meningkat karena adanya efek kulit (skin effect). Sehingga perlu diketahui nilai tahanan
jangkar efektif yang dapat dihitung dengan Persamaan 3.42 berikut ini :
=
.
... (3.42)dengan k = 1,2 s/d 1,5
3.1.7 Menentukan Impedansi dan Reaktansi Sinkron
Jika tidak terjadi saturasi, impedansi sinkron Zs akan bernilai tetap. Secara
aktual Zs bervariasi saat terjadi saturasi. Untuk menghitung voltage regulation, hanya
satu nilai Zs yang digunakan di dalam perhitungan. Nilai impedansi sinkron Zs dan
reaktansi sinkron Xs per fasa dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3.43 dan
Persamaan 3.44 berikut ini :
=
... (3.43)= − ... (3.44)
dimana : Ebn = Tegangan induksi beban nol saat terjadi saturasi pada arus medan
tertentu (Volt)
Isc = Arus hubung singkat pada arus medan yang sama saat saturasi (A)
Zs = Impedansi sinkron (ohm)
Xs = Reaktansi sinkron (ohm)
ra = Tahanan jangkar (ohm)
37 Generator Sinkron merupakan mesin listrik yang banyak digunakan pada
pembangkit saat ini. Di dalam mensuplai energi listrik ke konsumen, generator sinkron
dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini
mengakibatkan perubahan pada faktor daya dan arus beban yang mengalir. Perubahan
dua hal tersebut tentu saja berpengaruh juga pada stabilitas tegangan keluaran Generator
Sinkron. Karena tegangan keluaran dituntut untuk selalu stabil, sehingga untuk menjaga
kestabilan tegangan keluaran, diaturlah kuat arus eksitasinya.
Eksitasi pada generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan
medan yang terdapat pada rotor. Sesuai dengan prinsip electromagnet yaitu apabila
suatu konduktor yang berupa kumparan yang dialiri listrik arus searah maka kumparan
tersebut akan menjadi magnet sehingga akan menghasilkan fluks-fluks magnet. Apabila
kumparan medan yang telah diberi arus eksitasi diputar dengan kecepatan tertentu,
maka kumparan jangkar yang terdapat pada stator akan terinduksi oleh fluks-fluks
magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan sehingga akan dihasilkan tegangan listrik
bolak-balik. Besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung kepada besarnya arus
eksitasi dan putaran. Jika arus eksitasi dan putaran semakin besar maka akan semakin
besar juga tegangan yang akan dihasilkan oleh sebuah generator.
Sistem eksitasi generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring
dengan peningkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus medan
yang diperlukan untuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari sumber daya
arus searah tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang berputar, maka
diperlukan perancangan khusus untuk membentuk rangkaian sumber daya arus searah
terhadap kumparan medan.
Penggunaan slip ring dan sikat, biasanya digunakan pada generator yang
berkapasitas kecil. Slip ring ini terbuat dari bahan metal yang biasanya telah terpasang
pada poros mesin tetapi terisolasi dari poros tersebut. Dimana kedua ujung belitan
medan pada rotor dihubungkan ke slipring tersebut. Dengan menghubungkan terminal
positif dan negative sumber arus searah ke slipring melalui sikat, maka belitan medan
akan mendapatkan suplai energi listrik arus searah dari sumber luar. Penggunaan
slipring dan sikat menimbulkan sedikit masalah ketika digunakan untuk mensuplai
sumber tegangan arus searah ke belitan medan pada generator sinkron, karena
penggunaan slipring dan sikat ini menambah biaya perawatan pada mesin. Selama
pemakaian slipring dan sikat ini harus diperiksa secara teratur, bahkan dengan
pemakaian slipring dan sikat ini dapat menyebabkan rugi-rugi daya yang cukup besar
akibat adanya drop tegangan pada terminal sikat, terutama pada mesin yang arus
medannya cukup besar. Oleh Karena itu untuk mengatasi masalah ini maka
digunakanlah penguatan statis.
Untuk generator berkapasitas besar, penguat tanpa sikat digunakan untuk
mensuplai arus searah ke belitan medan yang ada pada rotor mesin. Penguat tanpa sikat
ini merupakan sebuah generator kecil dimana rangkaian medannya berada dalam stator,
sedangkan jangkarnya berada di rotor. Daya keluaran tiga fasa dari generator penguat
ini disearahkan oleh penyearah untuk mendapatkan sumber arus searah.
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron,
39
1. Sistem eksitasi dengan pilot exciter
Sistem eksitasi dengan pilot exciter dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 3.10 Sistem eksitasi dengan pilot exciter
Pada Gambar 3.10, arus searah untuk kumparan medan generator diperoleh
dari kumparan eksitasi utama. Pilot exciter yang digunakan dalam hal ini
merupakan sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang mensuplai
tegangan pada belitan medan dari exciter utama yang merupakan generator dc
penguatan terpisah. Output dc yang dihasilkan dari exciter utama digunakan untuk
mensuplai tegangan dc pada belitan medan utama pada generator menggunakan slip
ring dan sikat. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan
medan utama generator dan menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk
dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik. Dalam keadaan ini bila generator
diputar oleh penggerak mula maka dibangkitkan tegangan bolak-balik pada
kumparan utama yang terletak di stator generator sinkron. Fungsi regulator adalah
untuk menjaga tegangan terminal generator tetap konstan pada nilai tertentu.
Pada generator sinkron yang dieksitasi dengan metode ini mempunyai
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 pada belitan medan generator
sinkron.
2. Sistem eksitasi dengan main ac exciter dan stationary solid-state rectifier.
Sistem eksitasi ini terdiri dari ac eksiter utama (main ac exciter) dan
penyearah statis (stationary solid-state rectifier). Exciter utama ac yang dikopel
dengan poros dari generator sinkron, mempunyai belitan medan yang berputar dan
belitan jangkar yang statis. Output jangkar dari exciter utama ac mempunyai
frekuesi skitar 400 Hz. Output ini disearahkan oleh penyearah statis (stationary
solid-state rectifier). Setelah disearahkan sumber dc digunakan untuk mensuplai
belitan medan utama generator sinkron menggunakan slip ring dan sikat karbon.
Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan sehingga
menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan
arus bolak-balik pada generator sinkron.
Gambar 3.11 Sistem Eksitasi dengan Main AC Eksitasi dan Stationary Silicon Controlled Rectifier
41 Sistem eksitasi tanpa sikat dapat kita lihat pada Gambar 3.12 berikut :
Gambar 3.12. Sistem Eksitasi tanpa sikat
Exciter ac dari generator sinkron mempunyai kumparan medan statis
dan kumparan jangkar 3 fasa yang berputar. Sumber daya 3 fasa dari exciter ac ini
bersama dengan poros generotor dan diode penyearah (silicon diode rectifier)
yang juga terletak pada poros generator sinkron berputar mengikuti poros
generator. Output dari penyearah ini mensuplai belitan medan generator yang juga
berada dalam poros generator tanpa melalui slip ring dan sikat. Dengan kata lain
aliran daya pada kawat pada poros utama berasal dari exciter ac ke penyearah
kemudian ke belitan medan utama generator sinkron. Dengan demikian, sistem
eksitasi tidak lagi memerlukan slip ring dan sikat. Sistem eksitasi ini dikenal
dengan sistem eksitasi tanpa sikat.
3.3. Regulasi Tegangan Generator dengan Metode Impedansi Sinkron (EMF)
Dalam metode ini, kita akan memperoleh nilai impedansi sinkron Zs
(kemudian reaktansi sinkron Xs) sebuah generator sinkron (alternator) dari karakteristik beban nol (OCC) dan hubung singkat (SCC). Oleh karena itu disebut metode impedansi sinkron.
Metode ini memiliki langkah – langkah sebagai berikut.
- Gambarkan karakteristik beban nol (OCC) dari data yang diberikan oleh test beban terbuka) yang berpotongan dengan arus medan If dilambangkan dengan (E0). Ketika terminal – terminal jangkar dihubung singkat, tegangan terminal (Vt) bernilai nol. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa seluruh tegangan E0 digunakan untuk menggerakkan (sirkulasi) arus hubung singkat yang disimbolkan dengan Ia melawan impedansi sinkron (Zs).
Sebagai catatan, E0 dan Ia merupakan nilai fasa–fasa.
43
- Karena Ra dapat diukur dari cara yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, maka : Xs = ( Z − ) ... (3.46) - Dengan mengetahui nilai Ra dan Xs, diagram fasor dapat digambarkan untuk setiap
beban dan setiap faktor daya (PF). Gambar 3.15 menunjukkan diagram fasor untuk beban induktif (lagging).
Dalam menggambar diagram fasor, arus Ia diambil sebagai fasor referensi. Jatuh tegangan IaRa sefasa dengan Ia. Sedangkan jatuh tegangan IaXs mendahului Ia sebesar 90º. Jumlah dari fasor Vt, Ia, IaRa dan IaXs menghasilkan tegangan tanpa beban (E0).
E0 = ( V cosφ+ I R )2+ ( V sinφ + I X )2 ... (3.47)
Gambar 3.15 Diagram fasor dengan faktor daya tertinggal (lagging)
Gambar 3.16 Diagram fasor dengan faktor daya satu (unity)
E0 = ( V + I R )2+ ( I X )2 ... (3.48)
Gambar 3.17 Diagram fasor dengan faktor daya mendahului (leading)
E0 = ( V cosφ+ I R )2+ ( V sinφ - I X )2 ... (3.49)
Sehingga regulasi tegangan :
%VR = 100%
) (
x V
V V
FL FL NL
VNL= E0
VFL= Vt
maka,
%VR = ( 0 )x100% V
V E
t t
45
BAB IV
PENENTUAN PARAMETER DAN ANALISA PENGENDALIAN TEGANGAN
TERMINAL GENERATOR SINKRON
4.1 Umum
Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh perubahan beban terhadap
regulasi tegangan generator sinkron tiga fasa maka diperlukan beberapa percobaan
yaitu:
1. Percobaan beban nol
2. Percobaan hubung singkat
3. Percobaan berbeban
Parameter generator sinkron yang diperlukan adalah Xs dan Zs yang
diperoleh dari percobaan beban nol dan hubung singkat, sedangkan tahanan jangkar Ra
diabaikan. Parameter ini diperlukan untuk mendapatkan tegangan beban nol untuk
perhitungan regulasi tegangan.
4.2Peralatan yang digunakan
Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah peralatan yang ada di
Laboratorium konversi energi listrik FT-USU.
a. Generator sinkron
Tegangan : 220 V
Hubungan belitan jangkar : Bintang (Y)
Arus nominal jangkar : 4 Ampere
Daya generator : 2,67 kW
Putaran nominal : 1500 rpm
Faktor daya : 0,8 tertinggal
Kelas isolasi : B
b. Motor arus searah penguatan bebas
Tegangan : 220 V
Arus jangkar : 22,7 Ampere
Daya : 5 kW
Tegangan medan : 220 V
Arus medan : 0,17 Ampere
Kelas isolasi : F
c. 3 PTDC
1 PTDC merek FEED BACK
- Power supply PS 189
- 0 – 135 VAC / 0 – 125 VDC
- Ampere
2 PTDC merek TERCO
- Power pack MV 1300
- 220 Volt
- Ampere
d. Beban-beban
Beban resistif (tahanan variabel dan tahanan geser)
- 5 Ampere
- 60 Ohm
Beban kapasitif
- Merek UNICON
- 20 µ F
47
- Merek TES tipe 2712 LCR Multimeter
- Batere 9 Volt
- Fuse 0,5 Ampere untuk 250 Volt dan 20 Ampere untuk 380 Volt
Amper meter AC dan DC
- Merek TES tipe 2712 LCR Multimeter
- Batere 9 Volt
- Fuse 0,5 Ampere untuk 250 Volt dan 20 Ampere untuk 380 Volt
Watt meter
4.3Percobaan Menentukan Parameter Generator Tiga Fasa
Pada penentuan parameter generator sinkron dilakukan beberapa percobaan
yaitu : percobaan pengukuran tahanan jangkar, percobaan beban nol, percobaan hubung
singkat dan percobaan berbeban. Pada percobaan berbeban kita menggunakan beban
resistif, induktif dan kapasitif.
4.3.1 Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar
Pengukuran tahanan jangkar dilakukan untuk mendapatkan nilai tahanan
jangkar Ra. Nilai Ra tersebut digunakan untuk mendapatkan nilai reaktansi sinkron Xs
yang diperlukan pada metode impedansi sinkron untuk menentukan tegangan tanpa
beban.
a. Rangkaian Percobaan
Rangkaian percobaan yang digunakan untuk melakukan percobaan
pengukuran tahanan jangkar ditunjukkan pada Gambar 4.1 berikut.
49
b. Prosedur Percobaan
Langkah-langkah yang harus dilakukan untuk melakukan pengukuran
tahanan jangkar adalah sebagai berikut :
1. Peralatan dirangkai seperti pada Gambar 4.1 di atas.
2. Rangkaian belitan stator dihubungkan dengan suplai tegangan DC
3. Tegangan DC suplai dinaikkan sampai pada nilai tertentu.
4. Ketika tegangan menunjukkan pada besaran 6,2 Volt, penunjukan alat ukur
voltmeter dan ampermeter dicatat
5. Jika telah selesai rangkaian dilepas.
4.3.2. Percobaan Beban Nol
a. Rangkaian Percobaan
Rangkaikan percobaan beban nol yang digunakan seperti gambar 4.2 dibawah ini
Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol
b. Prosedur Percobaan
Langkah-langkah percobaan yang dilakukan pada percobaan beban nol
adalah sebagai berikut :
1. Alat-alat dirangkai seperti Gambar 4.2, PTDC pada posisi minimum.
2. Tutup S2 dan atur arus penguat motor dengan mengatur PTDC2 hingga harga
nominal.
3. Tutup S1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1 hingga diperoleh
harga nominal.
4. Catat tegangan terminal saat arus penguat generator belum dinaikkan (If = 0).
5. Tutup S3 dan naikkan arus penguat generator secara bertahap dengan mengatur
PTDC3. Dimana, putaran dijaga konstan pada setiap kenaikkan arus penguat
generator, kemudian catat tegangan terminal.
6. Turunkan arus penguat generator (PTDC3 minimum) lalu buka S3. Minimumkan
PTDC1 dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2.
7. Percobaan selesai.
4.3.3 Percobaan Hubung Singkat
a. Rangkaian Percobaan
Rangkaikan percobaan beban nol yang digunakan seperti gambar 4.3 dibawah
ini.
51
b. Prosedur Percobaan
Langkah-langkah percobaan yang dilakukan pada percobaan hubung singkat
adalah sebagai berikut :
1. Alat-alat dirangkai seperti Gambar 4.3, PTDC pada posisi minimum.
2. Tutup S2 dan atur arus medan motor dengan mengatur PTDC2 hingga harga
nominal.
3. Tutup S1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1 hingga diperoleh
harga nominal.
4. Tutup S3 dan naikkan arus penguat generator (If) secara bertahap dengan mengatur
PTDC3.
5. Catat arus hubung singkat generator generator (Ia) untuk setiap tahapan arus medan
generator (If) dengan putaran generator dijaga konstan.
6. Turunkan arus medan generator (If) hingga nol, lalu buka S3. Minimumkan PTDC1
dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2.
7. Percobaan selesai.
4.3.4 Percobaan Berbeban
Percobaan ini untuk melihat hubungan antara arus beban dan faktor daya tertentu
dengan efisiensi dan arus beban dengan regulasi tegangan, dimana arus medan dan
putaran rotor dijaga konstan.
a. Rangkaian Percobaan
Rangkaian percobaan dapat dilihat pada gambar 4.4 dibawah ini. Beban
yang digunakan adalah beban resistif, induktif, kapasitif.
Gambar 4.4 (a) Rangkaian Percoban Berbeban (b) Rangkaian Beban Resitif,
(c) Rangkain Beban Kapasitif, (d) Rangkaian Beban Induktif
b. Prosedur Percobaan Tanpa Pengendalian Tegangan Terminal
1. Rangkaian dirangkai seperti Gambar 4.4 di atas. Semua saklar dalam keadaan
terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.
2. Saklar S1, S2 ditutup dan PTDC 1 dan PTDC 2 diatur untuk memberikan
tegangan ke terminal jangkar dan arus medan motor sampai dicapai putaran
nominal generator.
