PENGARUH PEMBEBANAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP
RUGI-RUGI DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON TIGA
FASA
(Aplikasi pada Laboratorium Mesin-Mesin Listrik di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan)
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana ( S-1 ) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh :
NIM : 050402010
FERRY DANIEL HUTAGALUNG
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PENGARUH PEMBEBANAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP RUGI-RUGI DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON TIGA FASA
(Aplikasi pada Laboratorium Mesin-Mesin Listrik di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan)
Oleh :
NIM : 050402010
FERRY DANIEL HUTAGALUNG
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat
untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro
Disetujui oleh :
Dosen Pembimbing,
NIP : 19610404 198811 1001 Ir. Riswan Dinzi, MT
Diketahui oleh : Pelaksana Tugas Harian
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU
NIP: 194510291973021001 Prof.Dr.Ir. Usman Baafai
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
ABSTRAK
Beban yang dipasok oleh generator cadangan umumnya tidak seimbang.
Kondisi beban yang tidak seimbang akan menyebabkan timbulnya komponen urutan
pada arus saluran. Pada sistem tiga fasa-tiga kawat, beban yang tidak seimbang akan
menimbulkan arus urutan positif dan arus urutan negatif. Sedangkan pada sistem tiga
fasa-empat kawat, beban yang tidak seimbang akan menimbulkan arus urutan positif,
negatif dan nol. Arus urutan tersebut akan memperbesar rugi-rugi generator sehingga
efisiensi generator akan semakin rendah. Dengan adanya arus urutan nol pada sistem
tiga fasa-empat kawat maka rugi-rugi generator akan lebih besar sehingga efisiensi
generator akan lebih rendah dibandingkan pada sistem tiga fasa-tiga kawat. Dan
semakin besar faktor ketidakseimbangan maka semakin besar rugi-rugi dan semakin
rendah efisiensi generator.
Dalam tugas akhir ini, penulis menggunakan metode komponen simetris
untuk menganalisa rugi-rugi saat pembebanan tidak seimbang yaitu terutama
KATA PENGANTAR
Segala pujian, hormat dan syukur hanyalah bagi-Nya Tuhan Yesus Kristus
yang telah memampukan penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini. Begitu banyak
kesulitan dan permasalahan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini tetapi Tuhan
Yesus selalu memiliki cara untuk menolong penulis, Dia selalu mendengar
permohonan dan seruan penulis agar Beliau Yang Maha Baik menolong penulis di
setiap saat pengerjaan Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan teristimewa kepada yang tercinta Ibu,
Bapak dan Abang yang selalu memberikan segala dukungan, dana, motivasi dan
terlebih doa-doanya.
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan
untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun
judul Tugas Akhir ini adalah :
PENGARUH PEMBEBANAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP RUGI-RUGI
DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON TIGA FASA
Selama penulisan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapatkan bantuan,
bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini,
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku
Pelaksana Tugas Harian Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnain selaku dosen wali penulis yang senantiasa
memberikan bimbingan selama perkuliahan hingga menyelesaikan Tugas Akhir
ini.
3. Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT selaku Dosen Pembimbing yang dengan sabar dan
tulus meluangkan waktu dan memberikan pemikiran untuk membimbing penulis
dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. A. Rachman Hasibuan dan Bapak Ir. Bonggas L. Tobing yang sudi
memberikan ide-ide ataupun pemikiran beliau dalam menyelesaikan Tugas Akhir
ini.
5. Seluruh Staf Pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh
Pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera
Utara atas bantuan administrasinya.
6. Bapak Epri, Bapak Naibaho dan Bapak Simatupang selaku Pengajar dan
Pembimbing di Laboratorium Mesin-Mesin Listrik Pusat Pengembangan dan
Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan.
7. Seluruh teman-teman seperjuangan stambuk 2005, Mangiring, David, Fritz,
Benny, Herman, Antoni, Umar Sidik, Lamringan, Marhon, Windy, Sadak, Ellis,
8. Serta semua abang senior dan adik junior yang telah bersedia berbagi
pengalaman dan motivasi kepada penulis.
9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa banyak kekurangan dalam penulisan Tugas Akhir
ini. Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca untuk
menyempurnakan Tugas Akhir ini. Kiranya Tugas Akhir ini dapat bermanfaat dan
menambah pengetahuan bagi kita semua.
Medan, Juni 2010
Penulis
DAFTAR ISI
Abstrak ... i
Kata Pengantar ... ii
Daftar Isi ... v
Daftar Gambar ... viii
Daftar Tabel ... x
Daftar Grafik ... xii
BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang ... 1
I.2. Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 2
I.3. Batasan Masalah ... 3
I.4. Metode Penulisan ... 3
I.5. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II GENERATOR SINKRON TIGA FASA II.1. Umum ... 6
II.2. Komponen Generator Sinkron ... 7
II.3. Prinsip Kerja Generator Sinkron ... 12
II.4. Reaksi Jangkar Generator Sinkron ... 14
II.5. Identifikasi dan Penentuan Parameter Generator Sinkron ... 18
II.7. Diagram Fasor Generator Sinkron ... 30
BAB III RUGI-RUGI DAN EFISIENSI GNERATOR SINKRON TIGA FASA III.1. Umum ... 33
III.2. Rangkaian Beban Tiga Fasa Seimbang ... 33
III.3. Rugi-Rugi dan Efisiensi Generator Sinkron Saat Berbeban Seimbang ... 36
III.4. Rangkaian Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang ... 39
III.5. Sintesis Fasor Tak Simetris Dari Komponen – Komponen Simetrisnya ... 41
III.6. Operator a ... 45
III.7. Komponen Simetris Fasor Tak Simetris ... 47
III.8. Impedansi Urutan dan Rangkaian Urutan ... 51
III.9. Rugi-Rugi dan Efisiensi Generator Sinkron Saat Berbeban Tidak Seimbang ... 53
BAB IV PENGARUH PEMBEBANAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP RUGI-RUGI DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON TIGA FASA IV.1. Umum ... 62
IV.2. Peralatan Yang Digunakan ... 63
IV.3. Pengujian Menentukan Parameter Generator Tiga Fasa 64 IV.3.1. Pengujian Beban Nol ... 64
IV.3.2. Pengujian Hubung Singkat ... 67
IV.3.3. Pengukuran Tahanan Jangkar Arus Searah ... 70
IV.3.4. Menentukan Impedansi dan Reaktansi Sinkron ... 73
IV.3.5. Pengukuran Impedansi Jangkar Urutan Negatif ... 74
IV.4. Pengujian Berbeban Seimbang ... 82
IV.5. Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Pada Sistem Tiga Fasa -
Tiga Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang
Berbeda ... 86
IV.6. Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Pada Sistem Tiga Fasa -
Empat Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang
Berbeda ... 94
IV.7. Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Dengan Faktor Ketidak-
Seimbangan (UF) Tetap ... 100
IV.8. Analisa Secara Grafik Pengaruh Pembebanan Tidak Seimbang
Terhadap Rugi-Rugi dan Efisiensi Generator Sinkron Tiga
Fasa ... 106
BAB V PENUTUP
V.1. Kesimpulan ... 112
V.2. Saran ... 113
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Konstruksi Generator Sinkron ... 7
Gambar 2.2. Bentuk-Bentuk Alur ... 8
Gambar 2.3. Rotor Kutub Menonjol ... 10
Gambar 2.4. Rotor Kutub Silinder ... 11
Gambar 2.5. Model Reaksi Jangkar ... 16
Gambar 2.6. Karakteristik Beban Nol ... 19
Gambar 2.7. Karakteristik Hubung Singkat ... 21
Gambar 2.8. Diagram Fasor Saat Hubung Singkat ... 22
Gambar 2.9. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 27
Gambar 2.10. Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron... 29
Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa ... 30
Gambar 2.12. Diagram Fasor Generator Sinkron ... 32
Gambar 3.1. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung Y Beserta Diagram Fasornya... 34
Gambar 3.2. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung ∆ Beserta Diagram Fasornya... 35
Gambar 3.3. Diagram Aliran Daya Generator Sinkron ... 37
Gambar 3.4. Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang Terhubung Bintang Pada Sistem Tiga Fasa-Empat Kawat dan Sistem Tiga Fasa-Tiga Kawat ... 40
Gambar 3.5. Tiga Himpunan Fasor Seimbang Yang Merupakan Komponen Simetris Dari Tiga Fasor Tak Seimbang ... 44
Gambar 3.7. Rangkaian Urutan Generator Sinkron ... 52
Gambar 4.1. Rangkaian Pengujian Beban Nol ... 64
Gambar 4.2. Rangkaian Pengujian Hubung Singkat ... 67
Gambar 4.3. Rangkaian Pengukuran Tahanan Jangkar Arus Searah ... 70
Gambar 4.5. Rangkaian Pengukuran Impedansi Jangkar Urutan Nol ... 78
Gambar 4.6. Rangkaian Pengujian Berbeban Seimbang ... 82
Gambar 4.7. Rangkaian Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Sistem Tiga Fasa -Tiga Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang Berbeda ... 86
Gambar 4.8. Rangkaian Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Sistem Tiga Fasa- Empat Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang Berbeda ... 94
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Hasil Pengujian Beban Nol ... 66
Tabel 4.2. Hasil Pengujian Hubung Singkat ... 69
Tabel 4.3. Hasil Pengukuran Tahanan Jangkar Arus Searah ... 71
Tabel 4.4. Hasil Analisa Data Pengukuran Tahanan Jangkar Arus Searah ... 73
Tabel 4.5. Hasil Pengukuran Impedansi Jangkar Urutan Negatif ... 76
Tabel 4.6. Hasil Pengukuran Impedansi Jangkar Urutan Nol ... 79
Tabel 4.7. Parameter Urutan Positif ... 82
Tabel 4.8. Parameter Urutan Negatif ... 82
Tabel 4.9. Parameter Urutan Nol ... 82
Tabel 4.10. Hasil Pengujian Berbeban Seimbang ... 84
Tabel 4.11. Hasil Analisa Data Pengujian Berbeban Seimbang ... 85
Tabel 4.12. Hasil Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Sistem Tiga Fasa-Tiga Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang Berbeda ... 87
Tabel 4.14. Hasil Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Sistem Tiga Fasa-Empat
Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang Berbeda ... 96
Tabel 4.15. Hasil Analisa Data Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Sistem Tiga
Fasa-Empat Kawat Dengan Faktor Ketidakseimbangan (UF) yang Ber-
beda ... 100
Tabel 4.16. Hasil Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Dengan Faktor Ketidak-
seimbangan (UF) 10% ... 102
Tabel 4.17. Hasil Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Dengan Faktor Ketidak-
seimbangan (UF) 20% ... 102
Tabel 4.18. Hasil Analisa Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Dengan Faktor
Ketidakseimbangan (UF) 10% ... 105
Tabel 4.19. Hasil Analisa Pengujian Berbeban Tidak Seimbang Dengan Faktor
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1. Hasil Pengujian Beban Nol ... 67
Grafik 4.2. Hasil Pengujian Hubung Singkat ... 70
Grafik 4.3. Perbandingan Rugi-Rugi Total Generator ... 106
Grafik 4.4. Perbandingan Rugi-Rugi Tembaga Jangkar ... 107
Grafik 4.5. Perbandingan Efisiensi Generator ... 108
Grafik 4.6. Perbandingan Rugi-Rugi Total Generator Antara UF 10% Dengan UF 20% ... 109
Grafik 4.7. Perbandingan Rugi-Rugi Tembaga Jangkar Antara UF 10% Dengan UF 20% ... 110
ABSTRAK
Beban yang dipasok oleh generator cadangan umumnya tidak seimbang.
Kondisi beban yang tidak seimbang akan menyebabkan timbulnya komponen urutan
pada arus saluran. Pada sistem tiga fasa-tiga kawat, beban yang tidak seimbang akan
menimbulkan arus urutan positif dan arus urutan negatif. Sedangkan pada sistem tiga
fasa-empat kawat, beban yang tidak seimbang akan menimbulkan arus urutan positif,
negatif dan nol. Arus urutan tersebut akan memperbesar rugi-rugi generator sehingga
efisiensi generator akan semakin rendah. Dengan adanya arus urutan nol pada sistem
tiga fasa-empat kawat maka rugi-rugi generator akan lebih besar sehingga efisiensi
generator akan lebih rendah dibandingkan pada sistem tiga fasa-tiga kawat. Dan
semakin besar faktor ketidakseimbangan maka semakin besar rugi-rugi dan semakin
rendah efisiensi generator.
Dalam tugas akhir ini, penulis menggunakan metode komponen simetris
untuk menganalisa rugi-rugi saat pembebanan tidak seimbang yaitu terutama
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Generator sinkron merupakan komponen yang sangat penting dalam sistem
tenaga listrik karena berperan dalam penyediaan energi listrik yang sangat
dibutuhkan oleh masyarakat secara umum baik industri, perkantoran, maupun
konsumen rumah tangga. Energi listrik sudah menjadi kebutuhan yang vital bagi
masyarakat secara umum. Hampir selama 24 jam setiap harinya konsumen
membutuhkan dan memakai energi listrik untuk berbagai macam penggunaan.
Tetapi permasalahan penyediaan energi listrik dewasa ini sudah menjadi
suatu hal yang perlu diperhatikan. Hal tersebut dikarenakan seringnya terjadi
kekurangan penyediaan energi listrik terutama di Indonesia. Kurangnya penyediaan
energi listrik tersebut mengakibatkan kontinuitas produksi dari industri-industri
menjadi terganggu, kualitas kinerja setiap instansi perkantoran yang menggunakan
energi listrik menjadi berkurang, demikian juga pada konsumen rumah tangga.
Oleh karena itu, industri-industri, perkantoran maupun konsumen rumah
tangga menyediakan pembangkitan energi listrik sendiri ataupun menyediakan
generator cadangan. Sehingga dapat dipastikan di Indonesia, penyediaan energi
listrik sendiri ataupun generator cadangan jumlahnya sangat banyak. Perlu diketahui
generator yang dirancang oleh pabrik untuk melayani kondisi beban yang seimbang.
Sehingga untuk kondisi yang tidak ideal ataupun kondisi beban yang tidak seimbang
maka perlu diketahui bagaimana kondisi generator cadangan tersebut.
Sistem pembangkitan milik Perusahaan Listrik Negara (PLN) memiliki
konfigurasi dimana generator selalu terhubung ke jaringan transmisi lewat trafo
penaik tegangan kemudian ke trafo penurun tegangan dan diteruskan ke pusat beban
melalui jaringan distribusi. Sedangkan pembangkitan energi listrik sendiri berupa
generator cadangan memiliki konfigurasi yang langsung terhubung ke pusat beban
tanpa melalui trafo. Dan perlu diketahui bahwa beban terpasang yang dipasok oleh
generator cadangan umumnya dalam kondisi yang tidak seimbang. Sehingga
generator cadangan yang terhubung langsung dengan pusat beban harus mampu
melayani beban yang tidak seimbang.
Untuk itu perlu dilakukan suatu kajian baik berupa analisis maupun penelitian
di laboratorium untuk mengetahui pengaruh pembebanan yang tidak seimbang
terhadap generator sinkron, yang dalam hal ini pengaruhnya yaitu terhadap rugi-rugi
dan efisiensi generator itu sendiri.
I.2. Tujuan dan Manfaat Penulisan
Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui dan
memperlihatkan pengaruh pembebanan tidak seimbang terhadap rugi-rugi dan
efisiensi generator sinkron tiga fasa. Dan manfaat dari penulisan tugas akhir ini yaitu
pembebanan tidak seimbang terhadap rugi-rugi dan efisiensi generator sinkron tiga
fasa.
I.3. Batasan Masalah
Agar isi dan pembahasan tugas akhir ini menjadi terarah dan dapat mencapai
hasil yang diharapkan, maka penulis perlu membuat batasan masalah yang akan
dibahas. Adapun batasan masalah pada penulisan tugas akhir ini adalah sebagai
berikut :
1. Generator Sinkron yang digunakan sebagai aplikasi adalah Generator Sinkron
Tiga Fasa pada Laboratorium Mesin-Mesin Listrik Pusat Pengembangan dan
Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan.
2. Keadaan yang dipakai adalah keadaan mantap.
3. Jenis beban yang menjadi objek penelitian adalah jenis beban resistif.
4. Tidak membahas masalah harmonisa pada Generator Sinkron.
5. Tidak membahas tentang proteksi pada Generator Sinkron.
I.4. Metode Penulisan
Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Studi literatur
Yaitu dengan mempelajari buku referensi,artikel dari internet, dan bahan kuliah
2. Metode diskusi
Yaitu berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, pengajar dan
pembimbing Laboratorium Mesin-Mesin Listrik Pusat Pengembangan dan
Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan dan
teman-teman sesama mahasiswa mengenai masalah-masalah yang timbul selama
penulisan tugas akhir ini berlangsung.
3. Studi Lapangan
Melakukan percobaan di Laboratorium Mesin-Mesin Listrik Pusat
Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK)
Medan.
I.5. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini yaitu sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang
penulisan, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode
penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II GENERATOR SINKRON
Bab ini membahas tentang generator sinkron secara umum, konstruksi,
prinsip kerja, reaksi jangkar, identifikasi dan penentuan parameter,
BAB III RUGI-RUGI GENERATOR SINKRON TIGA FASA
Bab ini membahas tentang rugi-rugi generator sinkron tiga fasa dalam
keadaan pembebanan seimbang, rangkaian beban tiga fasa seimbang dan
tidak seimbang, sintesis fasor tak simetris dari komponen-komponen
simetrisnya, operator a, komponen simetris fasor tak simetris, impedansi
dan rangkaian urutan dan rugi-rugi generator sinkron dalam keadaan
pembebanan tidak seimbang.
BAB IV PENGARUH PEMBEBANAN TIDAK SEIMBANG TERHADAP
RUGI-RUGI GENERATOR SINKRON TIGA FASA
Bab ini membahas tentang jenis dan spesifikasi peralatan, percobaan
menentukan parameter generator sinkron, percobaan beban seimbang,
percobaan beban tidak seimbang dan analisa data hasil percobaan yang
berkenaan dengan pengaruh pembebanan tidak seimbang terhadap
rugi-rugi dan efisiensi generator sinkron tiga fasa.
BAB V PENUTUP
Bab ini berisi kesimpulan penulis mengenai pembahasan pada bab-bab
BAB II
GENERATOR SINKRON TIGA FASA
II.1. Umum
Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik
ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator sinkron (alternator)
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 induksi elektromagnetik yang terjadi
pada kumparan stator dan rotornya.
Generator sinkron dengan definisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa
frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator
tersebut. Rotor generator sinkron yang diputar dengan penggerak mula (prime
mover) yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan
medan magnet putar dengan kecepatan dan arah putar yang sama dengan putaran
rotor tersebut. Hubungan antara medan magnet pada mesin dengan frekuensi listrik
pada stator ditunjukan pada Persamaan 2.1 dibawah ini:
120 . p
n
f = s ………... (2.1)
ns = Kecepatan putar medan magnet atau kecepatan putar rotor (rpm)
p = Jumlah kutub
Generator sinkron sering kita jumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga
listrik (dengan kapasitas yang relatif 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 atau generator cadangan.
II.2. Komponen 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 2.1 dapat dilihat bentuk penampang sederhana dari sebuah
generator sinkron.
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 dimana diletakkan kumparan medan yang disuplai oleh arus
searah dari Eksiter. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor.
1. 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 magnetik
khusus yang 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. Ketiga bentuk
alur (slot) tersebut tampak seperti pada Gambar 2.2 berikut :
terbuka setengah terbuka tertutup
d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan
tempat timbulnya ggl induksi.
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 dipasangkan 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 terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros
rotor.
Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet
yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient pole (kutub
a. Jenis Kutub Menonjol (Salient Pole)
Pada jenis salient pole, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan
rotor. Belitan-belitan medannya dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai
oleh Eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub berlawanan.
Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.3
berikut :
Gambar 2.3. 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
b. Jenis Kutub Silinder (Non Salient 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 2.4 berikut :
Gambar 2.4. Rotor Kutub Silinder
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
II.3. Prinsip Kerja Generator Sinkron
Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai
berikut :
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan.
Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka
akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang
dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor,
akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar
yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah
besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi
suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan
tersebut, hal tersebut sesuai dengan Persamaan 2.2 dan Persamaan 2.3
berikut :
dt d N
) 120 44 , 4 ( 120 44 , 4 2 ) 120 . 14 , 3 . 2 ( 2 ) 120 . 14 , 3 . 2 ( ) 120 . 14 , 3 . 2 ( ) 120 2 ( ) 120 ( ) 2 ( ) 2 ( C Np Npn np N E E np N E t Cos np N t Cos np N np f t Cos f N f t Cos N dt t Sin d N e m m maks eff m m m m m m m = = = = = − = − = = ∴ − = = ∴ − = − = φ φ φ ω φ ω φ π ω φ π π ω ω ωφ ω φ m eff Cn
E = φ ... (2.3)
dimana : Em = ggl induksi maksimum (Volt) ; Eeff = ggl induksi efektif (Volt)
N = jumlah lilitan ; e = ggl induksi dalam keadaan transient (Volt)
C = konstanta ; f = frekuensi (hz)
n = putaran rotor (rpm)
φm = fluks magnetik maksimum (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
Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan
energi listrik.
II.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. Model reaksi
jangkar tampak pada Gambar 2.5.
Pengaruh yang ditimbulkan oleh fluksi jangkar dapat berupa distorsi,
penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan
pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung
kepada beban dan faktor daya beban, yaitu :
a. Untuk beban resistif (cosφ = 1 )
Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas mendistorsinya
saja tanpa mempengaruhi kekuatannya (cross magnetising).
b. Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)
Arus akan tertinggal sebesar 900 dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus
jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan
c. Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
Arus akan mendahului tegangan sebesar 900. Fluksi yang dihasilkan oleh arus
jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar yang
terjadi akan magnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi
arus medan.
d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagian magnetising dan sebagian
demagnetising. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian magnetising. Sementara itu saat beban adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian demagnetising. Namun
Gambar 2.5. Model Reaksi Jangkar
Keterangan gambar :
a) Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi EAmax
b) Tegangan resultan menghasilkan arus lagging saat generator berbeban induktif c) Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri BS dan tegangan Estat pada
belitan stator
d) Vektor penjumlahan BS dan BR yang menghasilkan Bnet dan penjumlahan Estat dan
Bentuk permukaan rotor silinder yang hampir rata membentuk celah udara
yang seragam sehingga reluktansi yang terjadi akan sama besar di setiap arah. Oleh
karena itu pengaruh reaksi jangkar dapat diasumsikan menjadi satu reaktansi saja
yaitu reaktansi sinkron XS.
Bila rotor generator diputar, tegangan induksi Ea akan dibangkitkan pada
belitan statornya. Bila beban dihubungkan pada terminal generator, maka pada
belitan stator akan mengalir arus jangkar Ia. Medan magnet stator (fluksi jangkar)
akan mempengaruhi medan magnet yang berasal dari rotor (fluksi rotor) dan
merubah tegangan fasanya. Oleh karena itu untuk mendapatkan tegangan terminal
yang konstan medan magnet rotor harus diperbesar dengan meningkatkan arus
medan If. Seiring bertambahnya arus medan If maka akan diperoleh fluksi resultan
yang sama besar dengan fluksi awal.
Pada Gambar 2.5.a, dilukiskan rotor dua kutub yang berada didalam stator
tiga fasa. Dalam hal ini tidak ada beban yang terhubung ke terminal generator.
Medan magnet BR akan membangkitkan tegangan induksi EAmax. Pada saat generator
beroperasi tanpa beban, tidak ada arus jangkar yang mengalir sehingga EAmax akan
sama dan sefasa dengan tegangan terminal Vφ.
Pada saat beban induktif dihubungkan ke terminal generator, arus jangkar Ia
akan lagging secara vektoris dari tegangan terminal seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2.5.b. Arus yang mengalir pada stator akan menghasilkan medan magnet
yang terlihat pada Gambar 2.5.c. Medan magnet stator BS akan menghasilkan
tegangan stator Estat.
Dengan adanya dua tegangan ini EAmax dan Estat, maka tegangan total pada
fasa yang sama adalah penjumlahan dari tegangan induksi EAmax dan tegangan stator
Estat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5.d. Dalam persamaan dapat ditulis
sebagai berikut :
stat
A E
E
Vφ = max + [volt] ... (2.4)
Dan besarnya medan magnet total Bnet adalah penjumlahan dari medan magnet rotor
BR dengan medan magnet stator BS, yaitu seperti yang ditunjukan pada Persamaan
2.5 berikut :
S R net B B
B = + [Tesla] ... (2.5)
Bila EAmax dan BR sefasa, maka medan magnet resultan Bnet akan sefasa dangan Vφ.
II.5. Identifikasi Dan Penentuan Parameter Generator Sinkron
Parameter generator sinkron dibutuhkan pada dasarnya untuk
menggambarkan rangkaian ekivalen beserta karakteristiknya. Parameter yang
dibutuhkan pada penulisan ini yaitu impedansi sinkron Zs, reaktansi sinkron Xs,
tahanan jangkar urutan positif rj1, tahanan jangkar urutan negatif rj2 dan tahanan
jangkar urutan nol rj0. Sehingga untuk memperoleh parameter-parameter tersebut
a. Pengujian Beban Nol
Pengujian beban nol terkait dengan karakteristik beban nol yaitu hubungan
antara tegangan induksi Ea dengan arus penguat/eksitasi If. Pada pengujian beban
nol, rotor generator diputar pada kecepatan nominal dan terminal jangkar dalam
keadaan terbuka. Arus medan If diatur bertahap dari nol hingga diperoleh harga
tegangan induksi Ea berkisar kurang lebih 125% dari tegangan nominal generator.
Pada kondisi ini arus jangkar Ia=0 dan tegangan induksi Ea=Vt. Pembacaan tegangan
induksi jangkar dengan pengaruh variasi medan eksitasi digambarkan dalam sebuah
kurva yang ditunjukkan oleh Gambar 2.6.
Ea Volt
If (Ampere) Air Gap
Gambar 2.6. Karakteristik Beban Nol
Dari gambar diatas tampak bahwa kurva tersebut memiliki garis linear
sampai diperoleh harga saturasi dari arus medan. Pada keadaan belum jenuh
(unsaturated), rangka (frame) besi mesin sinkron memiliki reluktansi yang besarnya
beberapa ribu kali lebih kecil dibandingkan dengan reluktansi celah udara, sehingga
meningkat secara linear. Ketika pada akhirnya inti besi tersebut jenuh, reluktansinya
meningkat secara dramatis, sehingga peningkatan fluks jauh lebih lambat daripada
peningkatan ggl (hal ini yang digambarkan oleh kurva melengkung). Garis linear
pada kurva tersebut disebut juga sebagai karakteristik celah udara (air gap).
Rangkaian pengujian beban nol tampak pada Gambar 4.1.
b. Pengujian Hubung Singkat
Pengujian hubung singkat terkait dengan karakteristik hubung singkat yaitu
hubungan antara arus jangkar Ia dengan arus penguat/eksitasi If. Pada pengujian
hubung singkat, mula-mula arus medan dibuat menjadi nol dan terminal jangkar
dihubung singkat melalui amperemeter. Lalu arus jangkar diperbesar dengan
menaikkan secara bertahap arus medan hingga tercapai nilai arus jangkar maksimum
yang masih aman sekitar 125% - 150% dari arus nominal jangkar. Karakteristik
hubung singkat merupakan garis lurus. Pada kondisi hubung singkat, tegangan
terminal Vt =0 dan arus jangkar sama dengan arus hubung singkat (Ia=Isc), sehingga
dapat dirumuskan :
s a
a sc
a
jX r
E I
I
+ = =
... (2.6)
Pembacaan arus jangkar atau arus hubung singkat dengan pengaruh variasi
Ia (Ampere)
[image:36.595.228.404.121.278.2]If (Ampere)
Gambar 2.7. Karakteristik Hubung Singkat
Kurva tersebut merupakan kurva linier karena tidak adanya efek saturasi. Saat
tegangan terminal sama dengan nol, lebih dari 90% tegangan jatuh muncul akibat
reaktansi sinkron. Pada Gambar 2.8 terlihat fasor untuk kondisi hubung singkat
dimana terlihat arus jangkar Ia tertinggal dari tegangan induksi Ea hampir 900,
dengan kata lain reaksi jangkar yang dihasilkan Ia hampir sepenuhnya melawan fluks
medan yang menghasilkan tegangan induksi Ea. Kedua fluksi yang berlawanan
tersebut menjaga fluksi resultan celah udara pada tingkat yang rendah sehingga tidak
Ea
IXs Er
Ia.ra Fr Fa F
[image:37.595.229.409.113.348.2]Ia IaXla
Gambar 2.8. Diagram Fasor Saat Hubung Singkat
c. 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. Umumya nilai Zs yang digunakan tersebut diperoleh
dari arus hubung singkat Isc yang terbesar dan besar tegangan induks i beban nol Ebn
saat terjadi saturasi dengan arus medan penguat/eksitasi If yang sama. Nilai
impedansi sinkron Zs dan reaktansi sinkron Xs per fasa dapat dihitung dengan
menggunakan Persamaan 2.7 dan Persamaan 2.8 berikut ini :
sc bn s
I E
Z =
... (2.7)
2 2
a s
s Z r
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)
d. 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 2.9. Sedangkan jika kumparan jangkar terhubung delta maka
tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat dihitung dengan Persamaan 2.10
seperti berikut :
dc dc
I V r
2
dc dc dc
I V r
2 3
= ... (2.10)
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. Sehingga perlu diketahui nilai tahanan jangkar
efektif yang dapat dihitung dengan Persamaan 2.11 berikut ini :
dc efektif
a kr
r = .
... (2.11)
dengan k = 1,2 s/d 1,3
Pengukuran tahanan jangkar arus searah (rdc) pada penulisan ini menggunakan
metode voltmeter-amperemeter dengan kumparan jangkar terhubung bintang.
Rangkaian pengukuran tahanan jangkar arus searah tampak pada Gambar 4.3.
e. Pengukuran Impedansi Jangkar Urutan Negatif
Saat generator dialiri arus urutan negatif, perilaku putaran medan stator akan
mempunyai arah yang berlawanan dengan putaran rotor tetapi jumlah putaran tetap
sama dengan jumlah putaran rotor (kecepatan sinkron) sehingga terdapat slip sebesar
200 % atau s = 2. Atau dikatakan bahwa arus urutan negatif yang mengalir pada
terhadap kumparan jangkar dengan arah putar berlawananan dengan medan putar
yang dihasilkan dari arus urutan positif. Dan medan putar ini berputar pada dua kali
kecepatan sinkronnya relatif terhadap kumparan medan sehingga akan menyebabkan
arus dengan frekuensi dua kali lipat dari frekuensi semula terinduksi pada kumparan
kumparan medan (eksitasi). Dimana arus induksi ini akan cenderung mengalir pada
kumparan rotor terus melalui damper winding dimana reaktansi paling rendah. Jika
dibiarkan terus meningkat maka akan menyebabkan pemanasan berlebihan pada
rangka rotor. Dengan identifikasi diatas maka pengukuran impedansi jangkar urutan
negatif Zj2 dilakukan seperti Gambar 4.4. Dimana untuk mendapatkan arus urutan
negatif yaitu dengan cara menukar dua fasa kumparan jangkar generator uji dengan
dua fasa kumparan jangkar generator injeksi sementara itu arus medan tidak
diberikan pada generator uji. Dari rangkaian pengukuran pada Gambar 4.4,
impedansi jangkar urutan negatif per fasa Zj2 dapat dihitung dengan Persamaan 2.12
berikut :
a t j
I V
Z 2 = 3
... (2.12)
dimana : Vt = Tegangan terminal line to line (Volt)
Ia = Arus jangkar (A)
Sedangkan reaktansi jangkar urutan negatif per fasa Xj2 dan tahanan jangkar urutan
negatif per fasa rj2 dapat dihitung dengan Persamaan 2.13 dan Persamaan 2.14
berikut :
2 2 2 j .sinϕ j Z
X =
... (2.13)
2 2 2 j .cosϕ
j Z
r =
... (2.14)
dimana : Xj2 = Reaktansi jangkar urutan negatif (ohm)
rj2 = Tahanan jangkar urutan negatif (ohm)
cosϕ2 = Faktor daya kumparan jangkar urutan negatif
f. Pengukuran Impedansi Jangkar Urutan Nol
Saat generator dialiri arus urutan nol, medan putar akan sama dengan nol dan
dapat dikatakan tidak ada fluksi yang terinduksi ke kumparan rotor sehingga
dianggap tidak ada arus yang terinduksi pada kumparan rotor. Dengan identifikasi
diatas maka pengukuran impedansi jangkar urutan nol Zj0 dilakukan seperti Gambar
4.5. Dimana untuk menghasilkan medan putar sama dengan nol maka kumparan
jangkar generator uji dihubungkan secara seri dan disuplai dari salah satu fasa
sumber tegangan tiga fasa injeksi sementara itu rotor generator yang uji tidak diputar
dan eksitasi tidak diberikan. Dari rangkaian pengukuran pada Gambar 4.5, impedansi
jangkar urutan nol Zj0 dapat dihitung dengan Persamaan 2.15 berikut :
a t j
I V Z
3
0 =
dimana : Vt = Tegangan line to netral (Volt)
Ia = Arus jangkar (A)
Zj0 = Impedansi jangkar urutan nol (ohm)
Sedangkan reaktansi jangkar urutan nol Xj0 dan tahanan jangkar urutan nol rj0 dapat
dihitung dengan Persamaan 2.16 dan Persamaan 2.17 berikut :
0 0 0 j .sinϕ j Z
X =
... (2.16)
0 0 0 j .cosϕ
j Z
r =
... (2.17)
dimana : Xj0 = Reaktansi jangkar urutan nol (ohm)
rj0 = Tahanan jangkar urutan nol (ohm)
cosϕ0 = Faktor daya kumparan jangkar urutan nol
II.6. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Rangkaian ekivalen per fasa dari suatu generator sinkron dapat dilihat seperti
pada Gambar 2.9.
Rf
Lf
Ea
ra Xar Xla
Ia V f
Radj
[image:42.595.194.444.602.712.2]dimana : Ea = Tegangan induksi (Volt)
Vt = Tegangan terminal generator (Volt)
Vf = Tegangan Eksitasi (Volt)
Rf = Tahanan belitan medan (ohm)
Lf = Induktansi belitan medan (H)
Radj = Tahanan variabel (ohm)
ra = Tahanan jangkar (ohm)
Xar = Reaktansi reaksi jangkar (ohm)
Xla = Reaktansi bocor belitan jangkar (ohm)
Ia = Arus jangkar (Ampere)
Berdasarkan Gambar 2.9 maka dapat ditulis persamaan tegangan induksi Ea
generator sinkron seperti yang tampak pada Persamaan 2.18 berikut :
Ea = Vt +jXar Ia +jXla Ia +ra Ia ... (2.18)
Dan persamaan tegangan terminal Vt generator sinkron dapat ditulis seperti yang
tampak pada Persamaan 2.19 berikut :
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai
reaktansi sinkron, atau Xs = Xar + Xla dapat dilihat pada Gambar 2.10 maka
persamaan tegangan terminal menjadi seperti Persamaan 2.20 berikut :
Vt = Ea - j Xs Ia – ra Ia [volt] ... (2.20)
Radj
Rf
Lf
Ea
ra Xs
Ia
V f Vt
Gambar 2.10. Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan generator sinkron adalah tegangan
bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Diagram fasor yang
menunjukkan hubungan antara tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal
generator ditunjukkan pada Gambar 2.12. Sementara itu untuk rangkaian ekivalen
f V
1 a
I
2 a
I
3 a
I
S jX
S jX
S jX
a
r
a
r
a
r
1 a
E
2 a
E
3 a
E
1
ph V
2
ph V
3
ph V f
R
f L f
[image:45.595.177.462.112.377.2]I RAdj
Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa
II.7. Diagram Fasor Generator Sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan pada generator sinkron adalah tegangan
arus bolak-balik, maka tegangan tersebut biasanya digambarkan dalam bentuk fasor.
Fasor terdiri atas dua bagian yaitu besaran skalar (magnitude) dan besar sudut,
dimana hubungan keduanya digambarkan dalam dua dimensi. Bila Ea, Vt, jXsIa dan
IaRa digambar dalam satu gambar yang menunjukan hubungan antara
besaran-besaran tersebut, maka hasil dari gambar ini dinamakan Diagram Fasor.
Dari Gambar 2.12, tampak bahwa total tegangan Ea berbeda dengan tegangan
fasa Vt , ini disebabkan adanya tegangan drop pada elemen resistif dan induktif pada
mesin. Semua tegangan dan arus dari Gambar 2.12 ini direferensikan terhadap Vt, (Vt
Gambar 2.12.a menunjukan hubungan dimana generator melayani beban
dengan faktor daya satu (beban resistif murni). Diagram fasor tersebut dapat
dibandingkan dengan dengan diagram fasor untuk generator yang melayani beban
induktif dan kapasitif (lagging dan leading), dimana diagram fasor untuk kedua
beban ini masing-masing diperlihatkan oleh Gambar 2.12.b dan Gambar 2.12.c. Perlu
dicatat bahwa untuk tegangan terminal dan arus jangkar yang sama, Ea yang
dibutuhkan untuk beban lagging (beban induktif) lebih besar dibandingkan dengan
Ea yang dibutuhkan untuk beban kapasitif. Oleh karena itu, untuk beban lagging
membutuhkan arus medan yang besar untuk mendapatkan tegangan terminal yang
sama, karena:
Ea = Cnφ ...……….………..(2.21)
Dimana dalam hal ini, n dijaga konstan untuk mendapatkan frekuensi yang konstan.
Begitu juga untuk arus medan dan arus beban yang sama, tegangan terminal Vt untuk
beban lagging (beban induktif) lebih rendah dibandingkan dengan tegangan terminal
Ia Vt Ia.ra
(a)
Ia
Vt
Ia.ra
jXs.Ia
(b )
Ia
Vt
Ia.ra jXs.Ia
Ea
(c)
jXs.Ia
Ea
[image:47.595.187.446.121.501.2]Ea
Gambar 2.12. Diagram Fasor Generator Sinkron.
BAB III
RUGI-RUGI DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON TIGA FASA
III.1. Umum
Secara teori diketahui bahwa daya mekanis yang dihasilkan oleh penggerak
mula generator sinkron (daya output penggerak mula juga sebagai daya input
generator sinkron) diubah menjadi daya elektrik (daya output generator). Perbedaan
antara daya output dengan daya input generator sinkron dipresentasikan sebagai
rugi-rugi (losses) generator sinkron. Sedangkan perbandingan antara daya output dengan
daya input generator sinkron direpresentasikan sebagai efisiensi generator sinkron.
Pada Bab ini akan diuraikan tentang rugi-rugi dan efisiensi generator sinkron tiga
fasa saat berbeban seimbang dan saat berbeban tidak seimbang.
III.2. Rangkaian Beban Tiga Fasa Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana :
1. Ketiga vektor arus dan tegangan sama besar
2. Ketiga vektor saling membentuk sudut 1200 satu sama lain.
Gambar 3.1. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung Y Beserta Diagram
Fasornya
Pada keadaan seimbang, impedansi beban pada masing-masing fasanya adalah sama
besar, sehingga dapat dituliskan seperti Persamaan 3.1 berikut :
θ
∠ = + = =
=Z Z R jX Z
Za b c
... (3.1)
Dalam hubungan Y, arus line sama dengan arus fasa, hal tersebut dapat ditentukan
dengan Persamaan 3.2, Persamaan 3.3 dan Persamaan 3.4 berikut :
a an an a a
Z V I
I
= =
' ... (3.2)
b bn bn b b
Z V I
I
= =
' ... (3.3)
c cn cn c c
Z V I
I
= =
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung delta (∆) dapat dilihat pada Gambar
[image:50.595.119.531.149.353.2]3.2.
Gambar 3.2. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung ∆Beserta Diagram
Fasornya
Dalam hubungan ∆, arus fasa dapat ditentukan dengan Persamaan 3.5, Persamaan
3.6 dan Persamaan 3.7 berikut :
ab ab ab
Z V
I
= ... (3.5)
bc bc bc
Z V
I
= ... (3.6)
ca ca ca
Z V
I
= . ... (3.7)
Sedangkan untuk arus linenya dapat ditentukan dengan menerapkan hukum Kirchoff
ca ab ac ab a
a I I I I
I' = + = − ... (3.8)
ab bc bc ba b
b I I I I
I' = + = − ... (3.9)
bc ca cb ca c
c I I I I
I' = + = − ... (3.10)
III.3. Rugi-Rugi dan Efisiensi Generator Sinkron Saat Berbeban Seimbang
Secara teori diketahui bahwa daya mekanis yang dihasilkan oleh penggerak
mula generator sinkron (daya output penggerak mula juga sebagai daya input
generator sinkron) diubah menjadi daya elektrik (daya output generator). Perbedaan
antara daya output dengan daya input generator sinkron dipresentasikan sebagai
rugi-rugi (losses) generator sinkron.
Diagram aliran daya generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 3.3. Daya
input mekanis pada poros generator (Pin) yaitu seperti Persamaan 3.11 berikut :
m m in
P =τ ω ... (3.11)
Dan daya yang dikonversikan dari mekanikal menjadi elektrikal yang prosesnya
terjadi dalam mesin dapat ditulis seperti pada Persamaan 3.12 dan Persamaan 3.13
berikut :
m ind CONV
P =τ .ω ... (3.12)
γ cos 3 A A CONV E I
dimana γ adalah sudut antara EA dengan IA. Perbedaan antara daya input ke generator
dan daya yang dikonversikan dalam generator dipresentasikan sebagai rugi-rugi
mekanis dan rugi-rugi inti pada mesin.
conv
P
OUT
P
θ cos 3VTIL
=
Rugi inti gesek dan
Rugi angin Stray
losses
ind
ω
τ
m m in
P =τ ω
2
rugi I R loses (
[image:52.595.112.526.207.369.2]Rugi-tembaga)
Gambar 3.3. Diagram Aliran Daya Generator Sinkron
Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka
efisiensi generator sinkron dapat dituliskan seperti Persamaan 3.14 berikut :
( )
% = ×100% inout P P
η ... (3.14)
dimana : Pin =Pout +
∑
Rugi−rugi...(3.15)
Pout = daya keluaran (Watt)
Pin = daya masukan (Watt)
Rugi-rugi yang terdapat pada generator sinkron biasanya dibagi atas 5 macam yaitu
1. Rugi-rugi angin dan gesekan (Pa&g)
2. Rugi-rugi inti besi (Pi)
3. Rugi-rugi tembaga kumparan medan penguat (Ptp)
4. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ptj)
5. Rugi-rugi buta (Pb)
dimana :
j a tj I r
P =3 2. ... (3.16)
f f tp I r
P = 2. ... (3.17)
Rugi-rugi inti besi (Pi) dan rugi-rugi angin dan gesekan (Pa&g) merupakan rugi-rugi
tetap yang berarti besar rugi-rugi tersebut selalu tetap. Sedangkan rugi-rugi tembaga
kumparan medan penguat (Ptp), rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ptj) dan
rugi-rugi buta (Pb) merupakan rugi-rugi bervariasi yang berarti besar rugi-rugi tersebut
tidak selalu tetap ataupun berubah-ubah.
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 mensirkulasikan udara pendingin, dan gesekan
bantalan dan sikat.
Rugi-rugi inti besi (Pi) disebabkan oleh fluksi utama mesin dan terjadi
terutama pada gigi-gigi stator (jangkar), pada bagian inti jangkar dekat gigi-gigi
tipis baja silikon yang terisolasi satu sama lain untuk membatasi rugi-rugi histeresis
dan arus eddy pada baja.
Rugi-rugi tembaga penguat seperti tampak pada Persamaan 3.17 dihitung dari
arus medan dan tahanan arus searah dari kumparan penguat pada suhu 750C. Jatuh
tegangan pada cincin kolektor sikat umumnya diabaikan, tapi bisa juga disertakan
dalam rugi-rugi penguat. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar seperti tampak pada
Persamaan 3.16 dihitung dari tahanan arus searah kumparan jangkar pada suhu 750C.
III.4. Rangkaian Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan yang tidak seimbang adalah keadaan dimana salah
satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak dipenuhi. Kemungkinan keadaan
tidak seimbang ada tiga yaitu :
1. Ketiga vektor sama besar tetapi tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain.
2. Ketiga vektor tidak sama besar tetapi membentuk sudut 1200 satu sama lain.
3. Ketiga vektor tidak sama besar dan tidak membentuk sudut 1200 satu sama lain.
Penyelesaian beban tidak seimbang untuk hubungan delta dapat disamakan dengan
keadaan seimbang. Sedangkan untuk hubungan bintang, penyelesaiannya adalah
sebagai berikut :
Pada sistem 3 fasa – 4 kawat, masing – masing fasa akan mengalirkan arus yang
tidak seimbang menuju netral. Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat, akan
menghasilkan tegangan pada beban yang berubah cukup signifikan dan
Gambar 3.4. Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang Terhubung Bintang Pada Sistem Tiga
Fasa - Empat Kawat dan Sistem Tiga Fasa - Tiga Kawat
Berdasarkan Gambar 3.4 diatas, pada sistem tiga fasa - empat kawat berlaku
persamaan-persamaan seperti Persamaan 3.18, Persamaan 3.19, Persamaan 3.20 dan
Persamaan 3.21 berikut :
a an a
Z V
I
= ... (3.18)
b bn b
Z V
I
= ... (3.19)
c cn c
Z V
I
= ... (3.20)
(
a b c)
n I I I
I = + + ... (3.21)
Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat, rangkaian tersebut dapat diselesaikan
dengan persamaan loop berikut ini :
Loop 2 : −ZbI1 +
(
Zb +Zc)
I2 =Vbc ... (3.23)Dari Persamaan 3.22 dan Persamaan 3.23 dapat dicari fasor I1 dan I2, kemudian arus
line dapat dicari dengan Persamaan 3.24, Persamaan 3.25 dan Persamaan 3.26
berikut ini :
1
I
Ia = ... (3.24)
1 2 I
I Ib
−
= ... (3.25)
2
I Ic
−
= ... (3.26)
Sedangkan tegangan pada setiap impedansi beban dapat ditulis seperti pada
Persamaan 3.27, Persamaan 3.28 dan Persamaan 3.29 berikut ini :
a a aO I Z
V = ... (3.27)
b b bO I Z
V = ... (3.28)
c c cO I Z
V = ... (3.29)
Dalam penulisan ini, rugi-rugi tembaga kumparan jangkar pada kondisi tidak
seimbang dianalisa dengan metode komponen simetris. Oleh karena itu, diperlukan
uraian mengenai metode komponen simetris.
III.5. Sintesis Fasor Tak Simetris Dari Komponen-Komponen Simetrisnya
Karya Fortescue membuktikan bahwa suatu sistem yang tidak seimbang yang
fasor seimbang yang dinamakan komponen-komponen simetris dari fasor aslinya. n
buah fasor dalam setiap himpunan komponennya adalah sama panjang dan sudut
antara fasor yang bersebelahan dalam himpunan itu sama besarnya. Metoda ini
berlaku untuk setiap sistem fasa majemuk tak seimbang, tetapi pembahasan pada
sistem tiga fasa saja.
Menurut teorema Fortescue, tiga fasor tak seimbang dari sistem tiga fasa
dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Tiga sistem fasor yang
seimbang ataupun yang disebut sebagai komponen-komponen simetris itu
adalah :
1. Komponen urutan positif (positive sequence components) yang terdiri dari
tiga fasor yang sama besarnya, saling beda fasa sebesar 1200 satu sama lain.
Dan mempunyai urutan fasa yang sama dengan fasor aslinya.
2. Komponen urutan negatif (negative sequence components) yang terdiri dari
tiga fasor yang sama besar, saling beda fasa sebesar 1200 satu sama lain. Dan
mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya.
3. Komponen urutan nol (zero sequence components) yang terdiri dari tiga fasor
yang sama besar dan dengan pergeseran fasa sebesar nol antara fasor yang
satu dengan yang lain ataupun berarti memiliki beda fasa sebesar nol satu
sama lain.
Telah menjadi kebiasaaan umum, ketika memecahkan permasalahan dengan
menggunakan komponen simetris bahwa ketiga fasa dari sistem dinyatakan sebagai
a, b dan c dan dengan cara demikian sehingga urutan fasa tegangan maupun arus
seimbang itu adalah abc, sedangkan urutan fasa dari komponen urutan negatif adalah
acb. Jika fasor aslinya adalah tegangan, maka tegangan tersebut dapat dinyatakan
dengan Va, Vb, dan Vc. Ketiga himpunan komponen simetris dinyatakan dengan
subskrip tambahan 1 untuk komponen urutan positif, 2 untuk komponen urutan
negatif, dan 0 untuk komponen urutan nol. Komponen urutan positif dari Va, Vb, dan
Vc adalah Va1, Vb1, dan Vc1. Demikian pula, komponen urutan negatif adalah Va2,
Vb2, dan Vc2, sedangkan komponen urutan nol adalah Va0, Vb0, dan Vc0. Gambar 3.5
menunjukkan tiga himpunan komponen simetris semacam itu. Fasor arus akan
dinyatakan dengan I dengan subskrip seperti untuk tegangan tersebut.
Karena setiap fasor tidak seimbang dan yang asli adalah jumlah komponen
simetrisnya maka fasor asli yang dinyatakan dalam suku-suku komponen simetrisnya
adalah seperti pada Persamaan 3.30, Persamaan 3.31, Persamaan 3.32 berikut ini :
Va =Va1+Va2 +Va0 ... (3.30)
0 2
1 b b
b
b V V V
V = + + ... (3.31)
0 2
1 c c
c
c V V V
V = + + ... (3.32)
Sintesis himpunan tiga fasor tak seimbang dari ketiga himpunan komponen simetris
Va1
Vc1
Vb1
(a) Komponen- Komponen Urutan Positif
Va2
Vc2
Vb2
(b) Komponen-Komponen Urutan Negatif
Va0
Vb0
Vc0
[image:59.595.227.410.114.296.2](c) Komponen-Komponen Urutan Nol
Gambar 3.5. Tiga Himpunan Fasor Seimbang Yang Merupakan Komponen Simetris
Va1
Vc1
Vb1
Va2
Va0
Vb2
Va
Vb0
Vc2
Vb
Vc0
[image:60.595.192.450.116.382.2]Vc
Gambar 3.6. Penjumlahan Secara Grafis Komponen-Komponen Pada Gambar 3.5
Untuk Mendapatkan Tiga Fasor Tidak Seimbang
III.6. Operator a
Karena adanya pergeseran fasa pada komponen simetris tegangan dan arus
dalam sistem tiga fasa, akan sangat memudahkan bila mempunyai metode penulisan
cepat untuk menunjukkan perputaran fasor dengan 1200. Hasil kali dua buah
bilangan kompleks adalah hasil kali besarnya dan jumlah sudut fasanya. Jika
bilangan kompleks yang menyatakan fasor dikalikan dengan bilangan kompleks yang
besarnya satu dan sudutnya θ, bilangan kompleks yang dihasilkan adalah fasor yang
sama besar dengan fasor aslinya tetapi fasanya tergeser dengan sudut θ. Bilangan
kompleks dengan besar satu dan sudut θ merupakan operator yang memutar fasor
Sedangkan operator j adalah operator yang menyebabkan perputaran sebesar
900 dalam arah yang berlawanan dengan arah jarum jam dan operator -1 yang
menyebabkan perputaran sebesar 1800 dalam arah yang berlawanan dengan arah
jarum jam. Penggunaan operator j sebanyak dua kali berturut-turut akan
menyebabkan perputaran melalui 900 + 900 , yang membawa pada kesimpulan bahwa
j x j menyebabkan perputaran sebesar 1800, dan karena itu maka j2 adalah sama
dengan -1. Sedangkan huruf a biasanya digunakan untuk menunjukkan operator yang
menyebabkan perputaran sebesar 1200 dalam arah yang berlawanan dengan arah
jarum jam. Operator semacam ini adalah bilangan kompleks yang besarnya satu dan
sudutnya 1200 dan didefenisikan sebagai berikut :
866 , 0 5 , 0 1
120
1 3
2 0
j e
a= ∠ = j =− +
π
Jika operator a dikenakan pada fasor dua kali berturut-turut, maka fasor itu akan
diputar dengan sudut sebesar 2400. Dan bila operator a dikenakan pada fasor tiga kali
berturut-turut, maka fasor akan diputar dengan sudut 3600. Jadi dapat disimpulkan
sebagai berikut :
a2 =1∠2400 =−0,5− j0,866
1 0 1 360
1 0 0
3 = ∠ = ∠ =
a
III.7. Komponen Simetris Fasor Tak Simetris
Pada Gambar 3.6 tampak sintesis tiga fasor tak simetris dari tiga himpunan
fasor simetris. Sintesis itu dilakukan sesuai dengan Persamaan 3.30, Persamaan 3.31
dan Persamaan 3.32. Persamaan-persamaan tersebut dapat dianalisa untuk
menentukan bagaimana menguraikan ketiga fasor tak simetris itu menjadi komponen
simetrisnya. Mula-mula banyaknya kuantitas yang diketahui dapat dikurangi dengan
menyatakan masing-masing komponen Vb dan Vc sebagai hasil kali fungsi operator a
dan komponen Va ataupun dapat dikatakan bahwa komponen fasa a yaitu Va sebagai
referensi. Dengan berpedoman pada Gambar 3.5 maka Persamaan 3.33 di bawah ini
dapat ditentukan yaitu sebagai berikut :
1 2
1 a
b a V
V = Vc1 aVa1
=
2
2 a
b aV
V = Vc2 =a2Va2 ... (3.33)
0
0 a
b V
V = Vc0 =Va0
Dengan mensubtitusi Persamaan 3.33 ke dalam Persamaan 3.30, Persamaan 3.31 dan
Persamaan 3.32 maka diperoleh Persamaan 3.34, Persamaan 3.35, Persamaan 3.36
dan Persamaan 3.37 yaitu sebagai berikut :
0 2
1 a a
a
a V V V
V = + + ... (3.34)
0 2 1
2
a a a
b a V aV V
V = + + ... (3.35)
0 2 2
1 a a
a
c aV a V V
atau dalam bentuk matriks = 0 2 1 2 2 1 1 1 1 1 a a a c b a V V V a a a a V V V
... (3.37)
Untuk memudahkan penganalisaan, kita misalkan
= 1 1 1 1 1 2 2 a a a a
A ... (3.38)
dan invers matriks A yaitu seperti Persamaan 3.39 berikut :
= − 1 1 1 1 1 3 1 2 2 1 a a a a
A ... (3.39)
dan dengan mengalikan kedua sisi Persamaan 3.37 dengan A-1 maka dapat diperoleh
Persamaan 3.40 seperti di bawah ini :
= c b a a a a V V V a a a a V V V 1 1 1 1 1 3 1 2 2 0 2 1
... (3.40)
Persamaan 3.40 di atas menunjukkan bagaimana menguraikan tiga fasor tak simetris
menjadi komponen-komponen simetrisnya. Persamaan 3.40 di atas dapat ditulis
dalam bentuk persamaan yang biasa yaitu seperti tampak pada Persamaan 3.41,
Persamaan 3.42 dan Persamaan 3.43 berikut :
(
a b c)
a V aV a V
V1 2
3 1
+ +
= ... (3.41)
(
a b c)
a V a V aV
V2 = + 2 +
3 1
... (3.42)
(
a b c)
a V V V
V = + + 3
1
0 ... (3.43)
Jika diperlukan, komponen Vb
