TUGAS AKHIR
ANALISIS PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL, REGULASI, DAN
EFISIENSI GENERATOR SINKRON 3 FASA ROTOR
SALIENT POLE
DENGAN METODE BLONDEL (
TWO REACTION THEORY
)
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam
menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
NIM : 100402023
SELAMAT ARYADI
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ANALISIS PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL, REGULASI, DAN
EFISIENSI GENERATOR SINKRON 3 FASA ROTOR
SALIENT POLE
DENGAN METODE
BLONDEL
(
TWO REACTION THEORY
)
Oleh:
NIM: 100402023 SELAMAT ARYADI
Disetujui oleh:
Pembimbing,
NIP : 1953.0622.198103.1002 Ir. Syamsul Amien,M.S
Diketahui oleh:
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
NIP. 19540531 198601 1 002 Ir. SURYA TARMIZI KASIM, M.Si
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
i KATA PENGANTAR
Dengan Nama Allah Yang Maha Pengasih Lagi Maha Penyayang
Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia
yang dilimpahkan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini yang berjudul :
ANALISIS PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL, REGULASI, DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON 3 FASA ROTOR SALIENT POLE DENGAN
MENGGUNAKAN METODE BLONDEL ( TWO REACTION THEORY )
Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang wajib dipenuhi untuk
memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda
Muhammad Yakub dan Ibunda tercinta Etty Aryani yang senantiasa mencurahkan kasih sayang
dan doa yang tiada terhitung kepada penulis serta tiada bosan-bosannya mengasuh, mendidik,
dan membimbing penulis dari sejak lahir hingga sekarang.
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.Syamsul Amien , MS. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis yang telah
meluangkan waktunya untuk membimbing, membantu, dan mengarahkan penulis dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si selaku Dosen Wali penulis yang telah membimbing
ii Elektro FT-USU, dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Elektro FT-USU.
3. Bapak Ir. Syamsul Amien, MS. selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik
FT-USU yang telah memberi izin riset di PPPPTK.
4. Seluruh Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Elektro FT-USU.
5. Kepada staff-staff PPPPTK Bapak Hefri Yuliadi S.pd, dan Bapak Boas Aritonang S.pd.
Terima kasih telah membantu dalam pengambilan data.
6. Kepada adik-adikku tersayang Apriyana Pratiwi, Alwi Rahmanda, Siti Nurul Azahra
terimakasih telah mendukung abangda selama ini.
7. Kepada temenku yang baik hati Diky Ikhsan, Riky Ananda, Zulfahmi Dhuha, Bambang
Hidayat, dan Cahya Ramadani terimakasih banyak atas bantuannya dalam penyelesaian dan
pengambilan data tugas akhir ini.
8. Kepada temen anggota pencari sinyal terima kasih atas semua bantuannya sukses selalu
buat kita semua.
9. Kepada Anggota RJ dan Ardayaza yang telah memberikan pengalaman yang luar biasa
semoga kelak impian-impiannya terwujud.
10. Sahabat-sahabat terbaikku Cahya Ramadani , Satria Yudha, Riki Ananda, Suhendri,
fransisko, Hadratul Hendra, Kevin Girsang, Nur Adilah, Dewi Riska Sari, Dwi Purnama
Sari, tari, mayang, angel, Sylvester, Andika, dan banyak lagi yang tak bisa disebutkan satu
persatu terimakasih atas semuanya.
11. Adetya Rahma Nst, terima kasih banyak atas semua bantuannya, motivasi dan dukungan
yang luar biasa serta doanya kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
iii 13. Seluruh pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu penulis
baik secara langsung maupun tidak langsung selama menjalani masa perkuliahan di
Departemen Teknik Elektro FT-USU.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu,
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi penyempurnaan Tugas
Akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat khususnya
bagi penulis pribadi dan juga semua pihak yang membutuhkannya.
Medan, 18 April 2015 Penulis
iv
ABSTRAK
Dalam suatu sistem perubahan beban dapat terjadi sewaktu-waktu seiring meningkatnya
kebutuhan energi yang akibatnya beban yang dilayani oleh generator sinkron berubah-ubah yang
dapat mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator sinkron tersebut. Sehingga
menyebabkan perubahan tegangan terminal yang akan berpengaruh pada efisiensi serta
keandalan suatu sistem. Dalam Tugas Akhir ini dibahas mengenai analisa menentukan tegangan
terminal generator sinkron 3 fasa rotor salient pole menggunakan metode Blondel (two reaction
theory) , sebelumnya dilakukan perbaikan faktor daya untuk pembebanan induktif dan kapasitif
lalu dilakukan perhitungan regulasi tegangan dan efisiensi.
Didapat untuk mengatur perubahan tegangan terminal agar tetap konstan dapat dilakukan
dengan pengaturan tegangan induksi (Ea) yang diakibatkan karena adanya perubahan arus beban (Ia) yang mengalir pada tahanan jangkar (Ra) dan reaktansi sinkron (Xs) sehingga terjadi perubahan tegangan terminal. Untuk nilai pembebanan yang sama, semakin baik faktor daya dari
beban yang dilayani oleh generator sinkron semakin baik regulasi yang dihasilkan. Hal ini
disebabkan lebih baik faktor dayanya maka semakin kecil tegangan beban nol (Ef), semakin besar tegangan yang diterima oleh beban (Vt). Semakin baik faktor daya semakin baik pula
efisiensi sedangkan rugi-rugi daya (Pcl) dan arus beban (Ia) akan semakin kecil. Penentuan tegangan dapat dilakukan dengan metode Blondel (two reaction theory) sehingga didapat hasil
yg optimal.
Kata kunci : Generator Sinkron, Metode Two Reaction Theory, Penentuan Tegangan Terminal,
v DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah………. . 2
1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Metode Penulisan ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA 2.1 Umum ... 6
2.2 Konstruksi Generator Sinkron ... 7
2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron ... 13
2.4 Reaksi Jangkar ... 15
2.5 Sistem Eksitasi ... 17
2.6 Rangkaian Ekivalen ... 23
2.7 Rangkaian Belitan ... 27
vi
2.7.2 Belitan Rotor ... 29
2.8 Karakteristik Generator Sinkron 3 Fasa ... 30
2.8.1 Karakteristik Beban nol ... 30
2.8.2 Karakteristik Hubung singkat ... 32
2.8.3 Karakteristik Berbeban ... 34
2.9 Pengaturan Tegangan Terminal ... 35
2.10 Rugi-Rugi Generator Sinkron ... 37
2.11 Pengaruh Faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi …….. .. 38
2.12 Faktor daya ……….. 39
2.13 Regulasi Tegangan ………. . 43
2.14 Penentuan Parameter Generator Sinkron 3 Fasa ………. .... 45
2.15 Metode Penentuan Tegangan Terminal Generator Sinkron ………….... 46
2.15.1 Metode Blondel (Two Reaction Theory) ……….. ... 46
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu ... 53
3.2 Metode pengumpulan data ... 53
3.3 Langkah-Langkah Penilitian ... 54
3.4 Peralatan yang digunakan ... 55
3.5 Rangkaian Pengambilan Data ... 56
3.5.1Percobaan Menentukan Tahanan Generator Sinkron ... 56
3.5.2 Reaktansi d-axis (Xd) ... 57
3.5.2.1 Percobaan Menentukan Tegangan dengan test beban nol ... 57
3.5.2.2 Percobaan Menentukan Arus dengan test hubung singkat .. 57
vii
3.5.3.1 Percobaan Arus dan Tegangan dengan Test Slip ……. ... 58
3.5.4 Percobaan Berbeban ... … 58
3.6 Prosedur Percobaan ... 59
3.6.1Percobaan Menentukan Tahanan Generator Sinkron ... 59
3.6.2 Reaktansi d-axis (Xd) ... 59
3.6.2.1 Percobaan Menentukan Tegangan dengan test beban nol ... 59
3.6.2.2 Percobaan Menentukan Arus dengan test hubung singkat .. 60
3.6.3 Reaktansi q-axis (Xd) ………. .. 60
3.6.3.1 Percobaan Arus dan Tegangan dengan Test Slip ……. ... 60
3.6.4 Percobaan Berbeban………. ... 61
3.7 Metode Pengolahan Data ... 62
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum ... 66
4.2 Hasil Penelitian ... 66
4.2.1 Data Pengujian ... 66
4.3 Analisis Data Pengujian ... 71
4.4 Grafik Hasil Pengujian ... 84
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 98
5.2 Saran ... .. 90
viii DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi generator sinkron secara umum Gambar 2.2 Rotor kutub menonjol generator sinkron Gambar 2.3 Rotor kutub tak menonjol generator sinkron Gambar 2.4 Inti dalam stator dan alur pada stator
Gambar 2.5 Bentuk-bentuk alur Gambar 2.6 Model reaksi jangkar
Gambar 2.7 Sistem eksitasi menggunakan generator arus searah Gambar 2.8 Sistem eksitasi statis
Gambar 2.9 Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai
Gambar 2.10 sistem eksitasi dengan menggunakan permanen magnet generator Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen generator sinkron
Gambar 2.12 Penyederhanaan rangkaian ekivalen generator sinkron Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen generator sinkron 3 fasa
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen belitan stator generator sinkron 3 fasa (a). Belitan-Y, (b). Belitan-∆
Gambar 2.15 Belitan satu lapis (single layer winding) Gambar 2.16 Belitan berlapis ganda (double layer winding) Gambar 2.17 Bentuk rotor
Gambar 2.18 Rangkaian test tanpa beban
ix Gambar 2.21 Karakteristik hubung singkat (SCC)
Gambar 2.22 Rangkaian generator sinkron berbeban Gambar 2.23 Karakteristik generator sinkron berbeban Gambar 2.24 Prinsip Kerja Generator Sinkron 3 fasa Gambar 2.25 Diagram aliran daya generator sinkron Gambar 2.26 Segitiga daya
Gambar 2.27 Perbaikan faktor daya
Gambar 2.28 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah (a) Induktif, (b) Resistif, (c) Kapasitif
Gambar 2.29 Pengaruh perubahan beban terhadap tegangan terminal
Gambar 2.30 Diagram phasor teori dua reaksi dari mesin sinkron salient pole Gambar 2.31 Diagram phasor dua reaksi generator sinkron yang disederhanakan Gambar 2.32 Osilograph Test Slip
Gambar 3.1 Rangkaian percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar
Gambar 3.2 Rangkaian percobaan menentukan tegangan untuk menghitung reaktansi sinkron d-axis (Xd) dengan test beban nol dan If tertentu.
Gambar 3.3 Rangkaian percobaan menentukan arus untuk menghitung reaktansi sinkron d-axis (Xd) dengan test hubung singkat dan If tertentu.
Gambar 3.4 Rangkaian percobaan menentukan arus dan tegangan untuk menghitung reaktansi sinkron q-axis (Xq) dengan test slip.
Gambar 3.5 Rangkaian Percobaan Berbeban
x Gambar 4.2 Grafik If vs Ea
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data pengujian tahanan generator sinkron (R). Tabel 4.2 Data pengujian test beban nol dan If tertentu Tabel 4.3 Data pengujian test hubung singkat dan If tertentu Tabel 4.4 Data pengujian test slip
iv
ABSTRAK
Dalam suatu sistem perubahan beban dapat terjadi sewaktu-waktu seiring meningkatnya
kebutuhan energi yang akibatnya beban yang dilayani oleh generator sinkron berubah-ubah yang
dapat mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator sinkron tersebut. Sehingga
menyebabkan perubahan tegangan terminal yang akan berpengaruh pada efisiensi serta
keandalan suatu sistem. Dalam Tugas Akhir ini dibahas mengenai analisa menentukan tegangan
terminal generator sinkron 3 fasa rotor salient pole menggunakan metode Blondel (two reaction
theory) , sebelumnya dilakukan perbaikan faktor daya untuk pembebanan induktif dan kapasitif
lalu dilakukan perhitungan regulasi tegangan dan efisiensi.
Didapat untuk mengatur perubahan tegangan terminal agar tetap konstan dapat dilakukan
dengan pengaturan tegangan induksi (Ea) yang diakibatkan karena adanya perubahan arus beban (Ia) yang mengalir pada tahanan jangkar (Ra) dan reaktansi sinkron (Xs) sehingga terjadi perubahan tegangan terminal. Untuk nilai pembebanan yang sama, semakin baik faktor daya dari
beban yang dilayani oleh generator sinkron semakin baik regulasi yang dihasilkan. Hal ini
disebabkan lebih baik faktor dayanya maka semakin kecil tegangan beban nol (Ef), semakin besar tegangan yang diterima oleh beban (Vt). Semakin baik faktor daya semakin baik pula
efisiensi sedangkan rugi-rugi daya (Pcl) dan arus beban (Ia) akan semakin kecil. Penentuan tegangan dapat dilakukan dengan metode Blondel (two reaction theory) sehingga didapat hasil
yg optimal.
Kata kunci : Generator Sinkron, Metode Two Reaction Theory, Penentuan Tegangan Terminal,
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring meningkatnya pembangunan dan perkembangnya industri.
Permintaan akan kebutuhan energi listrik akan meningkat pula dengan beban yang
bervariasi dan tidak stabil sehingga laju pertumbuhan industri terhadap kebutuhan
energi listrik meningkat pula untuk itu sangat diperlukan pengujian terhadap
generator sinkron.
Pada Generator sinkron energi mekanik yang diubah berupa putaran
menjadi energi listrik bolak balik (AC), Energi mekanis diberikan oleh penggerak
mulanya. Sedangkan energi listrik bolak balik (AC) akan pada rangkaian
jangkarnya. Kumparan medan pada generator sinkron berada di rotor (bagian yang
berputar) dan kumparan jangkar berada di stator (bagian yang tidak berputar).
Konstruksi umum dari suatu generator sinkron adalah pengerak mula,
Rotor atau bagian yang berputar, stator bagian yang diam dan celah udara antara
Stator dan Rotor. Rotor sendiri terdiri atas Rotor Silinder dan Rotor kutub sepatu
yang masing-masing memiliki fungsi berbeda. Disamping itu juga perlu rangkaian
eksitasi sebagai penghasil tegangan induksi pada terminal jangkar. Untuk
generator sinkron yang besar rangkaian jangkar berada pada bagian Rotor. Untuk
Rangkaian eksitasi yaitu eksitasi dengan sikat dan tanpa sikat.
Generator sinkron tiga fasa dituntut untuk bekerja stabil dalam tegangan
yang dihasilkan dan frekuensi. Ketidakstabilan kedua hal tersebut sangat
2 penyebab altenator bekerja tidak stabil adalah tegangan terminal. Untuk itu perlu
dilakukan pengujian Berupa analisis penentuan tegangan terminal, regulasi, dan
efisiensi generator sinkron 3 fasa salient pole dengan Metode Blondel (two
reaction theory).
1.2 Perumusan Masalah
Masalah yang akan dianalisa dalam tugas akhir ini adalah menentukan
tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi generator sinkron 3 fasa rotor salient
pole. Pada tugas akhir ini dilakukan penentuan tegangan terminal dengan
menggunakan Metode Blondel (two reaction theory) sehingga dapat diketahui
regulasi dan efisiensinya.
1.3 Tujuan dan Manfaat Penulisan
Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui dan menentukan
tegangan terminal generator sinkron 3 fasa rotor salient pole dan menguji dengan
menggunakan Metode Blondel (two reaction theory) agar sesuai yang diinginkan.
Sebelumnya dilakukan perbaikan faktor daya untuk perhitungan regulasi dan
efisiensi.
Manfaat penelitian ini adalah untuk menentukan tegangan sumber (Ef)
generator sinkron sehingga diproleh hasil data yang akurat agar bisa dilakukan
pengaturan regulasi tegangan dan memperbaiki efisiensi generator sinkron 3 fasa
3 1.4 Batasan Masalah
Agar pembahasan tugas akhir ini terfokus pada pembahasan judul yang telah
disebutkan di atas, maka penulis harus membatasi permasalahan yang akan
dibahas. Adapun batasan masalahnya adalah :
1. Mesin sinkron yang digunakan adalah generator sinkron 3 fasa salient
pole.
2. Generator yang digunakan dalam keadaan baik.
3. Hanya membahas mengenai penentuan tegangan terminal, regulasi dan
efisiensi generator sinkron 3 fasa dengan menggunakan perhitungan
metode two reaction theory.
4. Hanya menggunakan beban induktif dan kapasitif.
5. Analisis perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di PPPPTK .
6. Tidak membahas metode-metode lainnya.
1.5 Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Studi literatur
Dengan mempelajari buku-buku referensi, bahan perkuliahan, jurnal, artikel
dari internet yang berkaitan dengan pembahasan tugas akhir ini.
2. Metode diskusi
Dengan adanya tanya jawab dengan dosen pembimbing, asisten Laboratorium
Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro, staff PPPPTK, dan
teman-teman mengenai masalah-masalah selama penulisan tugas akhir ini
4 3. Studi Lapangan
Melakukan percobaan di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik
dan Tenaga Kependidikan (PPPPTK).
4. Melakukan analisa seluruh data dan hasil perhitungan lalu membuat
kesimpulan
1.6 Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi mengenai latar
belakang masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan
masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA
Bab ini membahas generator sinkron secara umum, konstruksi,
prinsip kerja, jenis – jenis, metode Blondel (Two Reaction
Theory) , penentuan tegangan keluaran dan karakteristik
Generator sinkron.
BAB III METODELOGI PENELITIAN
Pada bab ini dibahas tentang metodelogi penelitian tugas akhir
5 penelitian, pelaksanaan penelitian, variabel yang diamati, dan
teknik pengukuran.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisikan tentang jenis komponen dan spesifikasi peralatan
percobaan, rangkaian percobaan, prosedur percobaan, data
percobaan, analisis dan grafik hasil percobaan.
BAB V PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari analisis data – data
6
BAB II
GENERATOR SINKRON 3 FASA
2.1 Umum
Banyak energi listrik yang dibangkitkan dengan menggunakan generator
sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam
sebuah pusat pembangkit listrik. Mesin Sinkron dapat bekerja sebagai generator
apabila kumparan jangkarnya (stator) menghasilkan daya arus bolak-balik.
Generator sinkron (alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi
mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC).
Definisi generator sinkron, mempunyai makna bahwa rotor generator
sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan
menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang sama dengan
kecepatan putar rotor. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran
rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet (medan putar) pada stator.
Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub
magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada
stator. Mesin sinkron tidak dapat start sendiri karena kutub-kutub yang berat dan
tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu saklar
terhubung dengan jala-jala oleh sebab itu diperlukan suatu alat bantu start (prime
mover) .Generator sinkron dibagi menjadi dua jenis, yaitu generator sinkron 1 fasa
7 2.2 Konstruksi Generator Sinkron
Konstruksi generator sinkron sama dengan motor sinkron yaitu mesin
sinkron pada dasarnya generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi
energi listrik bolak-balik . Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari
stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan
rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris yang berkaitan. Selain
itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang
berfungsi sebagai tempat berputarnya rotor dan tempat terjadinya fluksi atau
induksi energi listrik dari rotor ke stator.
Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari sebuah generator sinkron
secara umum :
Gambar 2.1 Konstruksi generator sinkron secara umum
A. Rotor
Rotor merupakan bagian berputar yang berfungsi untuk membangkitkan medan
8 terdapat kutub-kutub magnet dengan lilitannya yang dialiri arus searah, melewati
cincin geser dan sikat. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu :
1.) Rotor yang berbentuk kutub sepatu (salient pole)
2.) Rotor yang berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical)
1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan
dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk
mengurangi panas yang ditimbulkan oleh rugi-rugi arus Eddy,
kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai
dengan rotor berdiameter besar dan panjang serta sumbunya pendek.
Selain itu jenis kutub salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari
permukaan rotor. Belitan-belitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini
disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub yang
berlawanan. Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.2
berikut :
9 Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan
kecepatan putaran rendah dan sedang. Generator sinkron tipe seperti ini biasanya
dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor
kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena :
a. Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan
mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
b. Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising
jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol dengan celah udara sama rata (Rotor Silinder)
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai
sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga
kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang
dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan
terhubung seri yang dienerjais oleh eksiter. Gambar bentuk kutub silinder generator
sinkron tampak seperti pada Gambar 2.3 berikut:
10 Dimana rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :
a. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi
dipisahkan oleh isolasi tertentu. Dibuat dari bahan kuningan atau tembaga yang
dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Terminal kumparan rotor
dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui
sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.
b. Sikat
Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang
tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar
untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sikron.
Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu.
c. Kumpara rotor (kumparan medan)
Kumparan medan merupakan unsure yang memegang peranan utama
dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari
sumber eksitasi tertentu.
d. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada
11 B. Stator
Stator adalah bagian generator yang diam dan berfungsi sebagai tempat
untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus bolak-balik (AC) yang menuju
ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka
silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam
(tidak bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan
armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam
wye dipilih karena:
1. Meningkatkan daya output.
2. Menghindari dan meminimalisir tegangan harmonik, sehingga tegangan line
tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun.
Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk
dan di laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik
yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Pada Gambar
2.4 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar
12 Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu:
a. Rangka stator
Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar
generator.
b. Inti Stator
Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic khusus
terpasang ke rangka stator.
c. Alur (slot) dan Gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 (tiga)
bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup seperti pada
gambar 2.5 berikut :
Gambar 2.5 Bentuk-bentuk alur
d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
13 2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah:
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan
medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan
medan maka akan menimbulkan fluksi yang besarnya terhadap waktu
adalah tetap.
2. Unit penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor
segera dioperasikan sehingga memutar rotor pada kecepatan nominalnya
persamaan (2.1) dimana :
�
=
120��
…………(2.1)
n = Kecepatan putar rotor (rpm)
p = Jumlah kutub rotor
f = frekuensi (Hz)
3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang
dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor,
akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan
jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang
berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perberubah-ubahan fluks magnetik yang
melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada
ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan berikut
dimana : �= −��∅
��
………. (2.2)
� =−��∅���� sin��
14
� =−��∅���� ����� ….. (2.4)
� = 2�� ……… (2.5)
�=−�(2��)Ø���� cos�� …. (2.6)
� = ��
120 ……….. (2.7)
�=−� �2�120���Ø���� cos�� ……… (2.8)
����� = � �2.3,14.120���Ø���� … (2.9)
….. (2.10)
…….. (2.11)
…………. …(2.12)
���� =��Ø ………(2.13)
Dimana:
E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan
C = Konstanta p = Jumlah kutub
n = Putaran (rpm) f = Frequensi (Hz)
15 Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan
jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu,
sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan
membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang
besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi
listrik [2].
2.4 Reaksi Jangkar
Bila generator sinkron (alternator) melayani beban yang terhubung ke
terminal generator maka pada belitan stator akan mengalir arus, sehigga timbul
medan magnet pada belitan stator yang akan berinteraksi dengan medan rotor.
Medan magnet ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor
sehingga menghasilkan fluks resultan. Seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.6 :
16 Pada Gambar 2.6.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan
tegangan induksi E
a. Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.6.b. Arus stator tadi akan
meghasilkan medan magnet sendiri B
s dan tegangan stator Estat, seperti pada Gambar 2.6.c. Vektor penjumlahan antara BS dan BR akan menjadi Bnet dan penjumlahan Estat dan Ea, akan menghasilkan Ø, V pada terminal jangkar.
Saat beban terhubung ke beban induktif, arus jangkar akan tertinggal
terhadap tegangan jangkar. Arus pada belitan stator akan menghasilkan medan
magnet B
s, yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator Estat. Dua tegangan yaitu tegangan jangkar E
a dan tegangan reaksi jangkar Estat akan menghasilkan Vt , dimana ditunjukkan pada persamaan (2.14)
V
t = Ea + Estat ...(2.14)
Tegangan Reaksi Jangkar E
stat = - j X Ia
Sehingga persaman 2.14 dapat ditulis kembali pada persamaan (2.15).
V
t = Ea-jXIa ...(2.15)
Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator
sinkron juga karena adanya tahanan R
a dan Induktansi belitan stator Xa, ,dan penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga persamaan
(2.15) dapat ditulis kembali sebagai persamaan (2.16).
V
17 V
t = Ea-jXsIa- IaRa...(2.17) Dimana:
Vt = Tegangan terminal jangkar Ra = Tahanan Jangkar Ea = Tegangan Jangkar BS = Medan Magnet Stator Estat = Tegangan Reaksi Jangkar BR = Medan Magnet Rotor Xs = Reaktansi Sinkron
Ia = Arus Jangkar [4].
2.5 Sistem Eksitasi
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron,
sistem eksitasi terdiri dari dua sistem yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan
sikat (brushless excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat
(brushless).
Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu :
1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah).
2. Sistem eksitasi statis.
Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari :
1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai.
2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator (PMG).
Berikut sistem eksitasi menggunakan sikat:
18 Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh dari sebuah
generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter. Generator sinkron dan
generator arus serah tersebut terkopel dalam satu poros, sehingga putaran generator
arus searah sama dengan putaran generator sinkron.
Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan kebelitan
rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring. Akibatnya arus searah
mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan menimbulkan medan magnet
yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik pada
kumparan utama yang terletak di stator generator sinkron.
Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu generator arus
searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip ring
dan sikat menimbulkan masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber arus
searah padabelitan medan generator sinkron. Terdapat sikat arang yang menekan
slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya. Selain itu pada
generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang menekan komutator. Selama
pemakaian slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur, generator arus searah
juga memiliki keandalan yang rendah. Karena hal-hal seperti diatas dipikirkan
hubungan lain dan dikenal apa yang dikenal sebagai generator sinkron static exciter
(penguat statis). Gambar 2.7 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator
19 Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Menggunakan Generator Arus Searah
2 Sistem Eksitasi Statis
Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak
(static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan rotor
generator sinkron. Sistem eksitasi statis (static excitation sistem) atau disebut juga
dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan
generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron. Sumber eksitasi
pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan output generator itu sendiri yang
disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan penyearah thyristor.
Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, magnet sisa ini akan
menimbulkan tegangan pada stator tegangan ini kemudian masuk dalam
penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor akibatnya medan magnet yang
dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai dicapai
tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu mempunyai
pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan. Bersama dengan
20 Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan
sistem eksitasi statis memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator arus
searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada
penggerak mula hilang. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu
penyearah karena itu disebut eksiter statis. Gambar 2.8 berikut adalah sistem
[image:34.595.256.436.286.462.2]eksitasi statis.
Gambar 2.8 Sistem eksitasi statis
Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem eksitasi statis
dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena generator sinkron
tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk mensuplai kumparan
medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini menyebabkan sistem
21 Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat :
1. Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai
Sistem eksitasi tanpa sikat diaplikasikan pada generator sinkron, dimana
suplai arus searah kebelitan medan dilakukan tanpa melalui sikat. Arus searah
untuk suplai eksitasi untuk awal start generator digunakan suplai dari baterai,
yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke
belitan medan AC exiter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini
disearahkan oleh penyearah yang menggunakan dioda, yang disebut rotating
rectifier, yang diletakkan pada bagian poros ataupun pada bagian dalam dari rotor
generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai dengan
[image:35.595.214.450.413.609.2]putaran rotor, seperti pada gambar 2.9 berikut:
Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai
Dari Gambar 2.9 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada
bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang
22 disalurkan kebagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan
karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki
bersama-sama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada
generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan penguat
(eksiter).
2. Sistem Eksitasi Menggunakan Pemanen Magnet Generator
Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang
berputar agar generator tersebut menghasilkan tegangan pada statornya. Medan
magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber listrik
arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah
dengan menggunakan magnet permanen sebagai sumber eksitasinya ini disebut
dengan Permanen Magnet Generator (PMG).
Generator sinkron yang berkapasitas besar biasanya menggunakan sistem
eksitasi brushless yang dilengkapi dengan permanen magnet generator. Hal ini
dimaksudkan agar sistem eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung pada
sumber daya listrik dari luar mesin itu. Pada Gambar 2.10 dapat dilihat bentuk
23 Gambar 2.10 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator
Dari Gambar 2.17, bahwa pada bagian mesin yang berputar (rotor)
terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator eksitasi, kumparan medan
generator utama. Hal ini memungkinkan generator tersebut tidak menggunakan
slip ring dan sikat dalam pengoperasiannya sehingga lebih efektif dan efisiensi
[9].
2.6 Rangkaian Ekivalen
Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari
tahanan R
a dan induktansi XIamaka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat
dibuat seperti Gambar 2.11
[image:37.595.198.419.587.684.2]24 Dengan melihat Gambar 2.11 maka tegangan generator sinkron dapat ditulis pada
persamaan (2.18).
E
a = V + jXarIa + jXLaIa + Ra Ia………...(2.18) Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.19)
Vt = Ea – jXarIa – jXLaIa – Ra Ia ...(2.19)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai
reaktansi sinkron, atau X
s = Xar + XLa, maka menjadi persamaan (2.20).
Vt = Ea – jXsIa – RaIa [Volt]…..…...(2.20)
Dimana:
[image:38.595.215.417.501.592.2]Vt = Tegangan Terminal Ia = Arus Jangkar Ea = Tegangan Induksi Ra = Tahanan Jangkar Xs = Reaktansi Sinkron Xar = Reaktansi Jangkar XLa = Reaktansi Fluks Bocor
Gambar 2.12 Penyederhanaan rangkaian ekivalen generator sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah
25 tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan
pada Gambar 2.13 berikut:
Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen generator sinkron 3 fasa Sementara itu, rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa untuk tiap jenis
hubungan ditunjukkan oleh Gambar 2.14 berikut ini:
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen belitan stator generator sinkron 3 fasa (a). Belitan-Y, (b). Belitan-∆
26 2.7 Rangkaian Belitan
2.7.1 Belitan Stator
Ada dua jenis belitan stator yang banyak digunakan untuk generator sinkron 3
phasa, yaitu:
1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
Gambar 2.15 Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
Gambar 2.15 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi
lilitan di dalam masing - masing alur. Bila kumparan tiga phasa dimulai pada Sa,
Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu
hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan phasa dipisahkan sebesar 120
derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila
rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh
27 2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada Gambar 2.15 hanya
mempunyai satu lilitan per kutub per phasa, akibatnya masing – masing kumparan
hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing
penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama.
Masing – masing tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per
penghantar dan jumlah total dari penghantar per phasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam
penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga
melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk
mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi
dalam beberapa alur per kutub per phasa. Gambar 2.16 memperlihatkan bagian
dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan [5].
28 2.7.2 Belitan Rotor
Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian
tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki
dua tipe rotor, yaitu :
1).Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole)
2).Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical)
Perbedaan utama antara keduanya adalah salient pole rotor digerakkan
oleh turbin hidrolik kecepatan rendah sedangkan cylindrical rotor digerakkan oleh
turbin uap berkecepatan tinggi. Bentuk rotor yang terdapat pada generator sinkron
dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut
(a) Rotor Kutub Menonjol (b) Rotor Silinder
Gambar 2.17 Bentuk Rotor
2.8 Karakteristik Generator Sinkron 3 Fasa 2.8.1 Karakteristik Beban Nol
Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat
ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki
29 a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)
b.) Tidak ada beban yang terhubung pada terminal
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If)
yang terlihat pada gambar 2.18 di bawah ini:
Gambar 2.18 Rangkaian Test Tanpa Beban
Dari Gambar dapat diperoleh persamaan umum generator pada persamaan (2.21).
E
0 = Vt + Ia (Ra + jXs)...(2.21) Pada hubungan generator terbuka (beban nol), I
a = 0. Maka persamaannya menjadi persamaan (2.22).
E0 = Vt = CnØ …...…..(2.22)
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Ø yang dihasilkan hanya Øf. Sehingga menjadi persamaan (2.23)
E0 = CnØf ...(2.23)
Dari persamaan (2.23) menjadi persamaan (2.24)
E0 = CnIf... (2.24)
Nilai Cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi persamaan (2.25)
30 Dimana:
E0 = Tegangan pada saat beban nol Ia = Arus Jangkar C = Konstanta n = Jumlah Putaran
If = Arus Medan Ra = Tahanan Jangkar Xs = Reaktansi Sinkron
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 nol hingga diperoleh harga tegangan induksi Ea. bersekitar kurang lebih 125% dari tegangan nominal generator. Pada kondisi ini arus jangkar Ia = 0 dan tegangan induksi Ea = Vt. sehingga pembacaan tegangan induksi jangkar dengan pengaruh variasi medan
eksitasi digambarkan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC
(Open-Circuit Characteristic). Yang terlihat pada gambar 2.19 dibawah:
Gambar 2.19 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)
Dari Gambar 2.19 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva berbentuk
31 bentuk kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai
mesin sinkron memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada
reluktansi air gap. Sehingga pertama-tama hampir seluruh MMF melewati celah
udara dan peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami
saturasi, reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih
lambat dengan peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut
karakteristik air gap line [5].
2.8.2 Karakteristik Hubung Singkat
Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang
dihubung singkat terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal
b.) Atur arus medan (I
f) pada nol c.) Hubung singkat terminal
d.) Ukur arus armatur (I
a) pada setiap peningkatan arus medan (If)
Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan
pada Gambar 2.20 berikut.
32 Dari Gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah
persamaan (2.26)
Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)... (2.26)
Pada saat generator sinkron dihubung singkat, V
t = 0 dan Ia = Isc . Maka persamaan menjadi persamaan (2.27)
Ea = Isc (Ra + jXs) ... (2.27)
Ea = CnØ maka persamaan nya menjadi persamaan (2.28). CnØ = I
sc (Ra + jXs)... (2.28) Karena Cn dan (R
a + jXs ) bernilai konstan, maka persamaan nya menjadi persamaan (2.29)
Cn = k
1... (2.29) sehingga menjadi persamaan (2.30)
(R
a + jXs) = k2... (2.30) Sehingga menjadi persamaan (2.31)
k
1.If = Isc. k2... (2.32) sehingga menjadi persamaan (2.33)
��� =��1 2��
... (2.34)
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. Lalu arus jangkar diperbesar dengan menaikkan secara bertahap
33 Pada karakteristik generator hubung singkat bentuk kurva adalah linear. Hal ini
disebabkan oleh medan magnet yang terjadi sangat kecil sehingga inti besi tidak
mengalami saturasi. Gambar 2.21 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik
hubung singkat pada generator sinkron [5].
Gambar 2.21 Karakteristik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur pada persamaan (2.35)
�� =��� =� ��
�+��� ... (2.35)
Harga Mutlaknya adalah pada persamaan (2.36)
�� = ��
���2+���2
...(2.36)
Dimana:
Isc =Arus Hubung Singkat Ia = Arus Jangkar C = Konstanta n = Jumlah Putaran
If = Arus Medan Ra = Tahanan Jangkar Xs = Reaktansi Sinkron Ea = Tegangan Induksi
34 2.8.3 Karakteristik Berbeban
Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban
antara lain sebagai berikut :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)
b.) Beban (Z
L) terpasang pada terminal generator sinkron c.) Arus medan (I
f) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap d.) Catat tegangan terminal (V
t) pada setiap peningkatan arus medan (If) yang terlihat pada gambar 2.22 berikut:
Gambar 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
Dari Gambar 2.22 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban pada
persamaan (2.37)
E
a = Vt + Ia (Ra + jXs)... (2.37) Sehingga menjadi persamaan (2.38)
V
t = Ea - Ia (Ra + jXs) ... (2.38) Dimana :
35 Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan
terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar bersifat reaktif karna itu dinyatakan
sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm). reaktansi ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa) yang dikenal dengan reaktansi sinkron (Xs). Pada generator berbeban, Ia = IL bernilai konstan karena beban (ZL)
tetap.terlihat pada gambar 2.23 di bawah ini:
Gambar 2.23 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban
Watak berbeban suatu generator sinkron merupakan penggambaran dari hubungan
antara tegangan terminal (Vt) dan arus medan (Ia) dimana beban generator tetap, dan jumlah putaran tetap [5].
[image:49.595.213.412.254.428.2]2.9 Pengaturan Tegangan Terminal
36 Dimana tegangan terminal dituntut untuk bekerja stabil dalam sistem.
Seperti pada gambar 2.24 Seiring perubahan beban maka akan mengalir arus
beban (Ia) yg berubah-ubah sesuai dengan perubahan beban. Yang berpengaruh pada tahanan (Ra) dan reaktansi sinkron (Xs) atau yang disebut dengan impedansi sinkron (Zs). arus beban akan merubah harga tegangan induksi jangkar (Ea) sesuai dengan persamaan (2.20) yaitu V
t = Ea - Ia (Ra + jXs). oleh sebab itu untuk menjaga tegangan terminal agar tetap stabil seiring dengan perubahan arus beban yaitu
dengan mengatur tegangan induksinya (Ea). dimana tegangan induksi seperti persamaan (2.13) dimana Ea=CnØ pada beban nol. Sehingga untuk mengatur tegangan induksi dilakukan dengan mengatur jumlah putaran (n) dan fluksi
magnetik (Ø).
Pengaturan jumlah putaran mengakibatkan Penggerak mula (Prime
Mover). karena kecepatan putaran rotor diputar dengan menggunakan energi
mekanis yang berasal dari penggerak mula. Penggerak mula dioperasikan dengan
menggunakan energi primer (Ep) dan energi sekunder (Es) yang berhubungan
dengan bahan bakar.
Sedangkan pengaturan fluksi magnetik berdasarkan eksitasi yang
diberikan. Yaitu dengan memberikan tegangan DC (Vf) pada kumparan medan. Pada rangkaian tertutup akan mengalir arus DC (If). Arus DC yang mengalir pada kumparan medan akan menimbulkan medan magnet (B) yang menghasilkan
Fluksi yang besarnya sama terhadap waktu. Ketika rotor diputar oleh penggerak
mula maka fluks akan ikut berputar sehingga akan timbul medan putar yang akan
memotong kumparan jangkar sehingga dihasilkan ggl induksi pada kumparan
37 2.10 Rugi-Rugi Generator Sinkron
Rugi-rugi yangterdapat pada generator sinkron dibagi menjadi beberapa
bagian diantaranya :
1. Rugi-rugi tembaga rotor dan stator (copper losses)
2. Rugi-rugi inti (core losses)
3. Rugi-rugi mekanik (mechanical losses)
4. Rugi-rugi nyasar (stray losses)
Rugi-rugi angin dan gesekan dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk dari
bagian yang berputar, rancangan sudu kipas rotor, desain bantalan (bearing) dan
susunan rumah (housing) mesin. Rugi yang hilang tersebut berupa daya yang
diperlukan untuk memutarkan kipas guna mensirkulasi udara pendingin dan
gesekan bantalan dan sikat.
Rugi-rugi inti dan besi (P
i ) disebabkan oleh fluksi utama mesin dan terjadi terutama pada gigi-gigi stator (jangkar), pada bagian inti jangkar dekat gigi-gigi
stator dan pada permukaan kutub rotor. Inti stator umumnya dibentuk dari
laminasi tipis baja silikon yang terisolasi satu sama lain untuk membatasi
rugi-rugi histeresis dan arus eddy pada baja.
Rugi-rugi mekanik dan inti sering digabung bersama yang disebut dengan
rugi-rugi beban nol pada mesin. Pada keadaan beban nol, daya input mesin
digunakan untuk mengatasi rugi-rugi ini. Oleh karena itu pengukuran daya input
stator.
Rugi-rugi tembaga rotor (P
RCL = If 2
.R
f) dihitung dari arus medan dan
rugi-38 rugi penguat. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (P
SCL = 3IA 2
.R
A) pada
[image:52.595.169.508.174.306.2]umumnya dihitung dari tahanan arus searah kumparan jangkar pada suhu 750
Gambar 2.25 Diagram Aliran daya Generator sinkron
Dari gambar 2.25 dapat dilihat bahwa persamaan (2.39) di bawah ini:
���� =√3�����������…….. (2.39)
Maka semakin baik faktor daya yang dihasilkan maka daya out put juga semakin
besar, dengan kata lain rugi – rugi yang dihasilkan menjadi lebih kecil. Maka dari
Persamaan 2.39 dapat disimpulkan semakin baik faktor daya, maka efisiensi yang
dihasilkan juga semakin baik [1].
2.11 Pengaruh Faktor Daya Terhadap Regulasi dan Efisiensi
Adapun faktor yang menjadi keunggulan generator sinkron dibandingkan
dengan generator yang lain adalah tingkat regulasi tegangan (VR) adalah suatu
ukuran kemampuan dari sebuah generator untuk menjaga tegangan terminal tetap
konstan walaupun terjadi perubahan beban. Regulasi tegangan dapat didefenisikan
39
��= ��−��
�� �100%...(2.40)
Dimana:
E
f = Tegangan terminal generator pada saat beban nol
Vt = Tegangan terminal generator pada saat beban penuh [volt]
Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka
efisiensi generator sinkron dapat dituliskan sebagai persamaan (2.41).
� = ����
����+��� �100% ...(2.41)
dimana :
P
in = Pout + Σ rugi P
P
out = daya keluaran
P
in = daya masukan
2.12 Faktor Daya
Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang
dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu:
• Daya semu (S), VA (Volt Amper)
• Daya aktif (P), Watt
• Daya reaktif (Q), VAR (Volt Amper Reaktif)
Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus
sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya
rata-rata diukur dengan satuan Watt. Daya ini membentuk energi aktif persatuan
waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau
40 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
[image:54.595.224.392.335.455.2](kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik.
Gambar 2.26 Segitiga Daya
Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt)
dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya
semu/daya total (lihat Gambar 2.26). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan
sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya
selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Faktor daya menggambarkan sudut
phasa antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya yang rendah merugikan
karena mengakibatkan arus beban tinggi. Perbaikan faktor daya ini menggunakan
41 Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah faktor daya dari
cos φ1 menjadi cos φ2 dapat ditentukan dengan persamaan (2.42)
ΔQ = PTan (φ1 – φ
[image:55.595.203.401.187.314.2]2) VAR ... (2.42)
Gambar 2.27 Perbaikan Faktor Daya
Kemudian besar nilai kapasitornya dapat dihitung dengan persamaan (2.43)
∆�������� =3�∆�22�� =�� ………. (2.43)
Dimana :
φ1 : adalah faktor daya sebelum diperbaiki
φ2 : adalah faktor daya sesudah diperbaiki
ΔCperfasa : Besar nilai kapasitor perfasa
ΔQ : Jumlah daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya (VAR)
Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya daya
nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan beban
akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan arus
saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang berpengaruh
terutama oleh factor daya beban, seperti pada Gambar 2.28 , diperlihatkan
42 satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan terminal setelah
beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan
terminal pada saat awal.
(a)
(b)
[image:56.595.212.418.177.634.2](c)
43 Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan
mengurangi tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif
ditambahkan maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif
ditambahkan, maka tegangan terminal cenderung membesar [8].
2.13 Regulasi Tegangan
Jika pada sebuah generator dilakukan pengukuran tegangan dalam keadaan
tanpa beban dan berbeban, ternyata terdapat perbedaan dari hasil pengukuran
tersebut. Dimana terlihat bahwa dengan berubahnya beban maka tegangan terminal
dari generator juga akan berubah. Perubahan besarnya (magnitude) tegangan tidak
hanya tergantung dari besarnya beban, tetapi juga dipengaruhi cos φ beban.
Pengaturan tegangan (voltage regulation) dari suatu generator sinkron
dapat didefinisikan sebagai perubahan tegangan terminal dari beban nol (no-load)
ke beban penuh (full-load) dengan menjaga eksitasi medan dan putaran tetap,
dibagi dengan tegangan beban penuh (full-load). Dimana tegangan pada terminal
dari generator sinkron tergantung dari beban yang terpasang dan juga faktor daya
(power factor) beban tersebut. Pengaturan tegangan ini dinyatakan dalam persen
(%) dari tegangan nominal dan perbedaan tegangan bukan secara vektor, tetapi
besaran yang dinyatakan dalam persamaan (2.44)
��=��−��
�� �100% ………(2.44)
diketahui:
VR = Regulasi Tegangan Vt = Tegangan Terminal
44 Perlu dicatat bahwa E
0 - VFL adalah selisih aritmatik bukan selisih fasor.
Faktor – faktor yang mempengaruhi regulasi tegangan sebuah generator sinkron
antara lain :
a.) Jatuh tegangan akibat I
aRapada belitan jangkar b.) Jatuh tegangan akibat I
aXL
[image:58.595.182.445.337.513.2]c.) Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar
Gambar 2.29 menunjukkan pengaruh perubahan beban terhadap perubahan
tegangan terminal dengan faktor daya (power factor) yang berbeda.
Gambar 2.29 Pengaruh Perubahan beban terhadap tegangan terminal
Dari Gambar 2.29 dapat dilihat bahwa perubahan tegangan terminal karena
reaksi jangkar bergantung pada arus beban (I
L) dan faktor daya (PF) dari beban.
Untuk beban dengan faktor daya mendahului (leading), tegangan terminal tanpa
beban lebih kecil daripada tegangan terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi
tegangan bernilai negatif. Untuk beban dengan faktor daya tertinggal (lagging),
45 Maka, regulasi tegangan bernilai positif. Sedangkan untuk beban dengan faktor daya
1 (unity), nilai tegangan terminal tanpa beban hampir sama dengan nilai tegangan
terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi tegangan bernilai mendekati 0 persen
[5].
2.14 Penentuan Parameter Generator Sinkron 3 Fasa Dari test :
- Ea dari test beban nol (Open Circuit)
- Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)
Diperoleh Reaktansi Xd (d-axis) sehinga di dapat persamaan
�� = ������������ℎ����������������������������������������������������������������
Dari test :
- tegangan dan arus dari Test Slip
Diperoleh Reaktansi Xq (q-axis) sehinga di dapat persamaan
�� =�������������������������������
(����)
������������������������� (�����)
�� =������������������������������
(����)
�������������������������� (�����)
Dari Test Berbeban :
46 2.15 Metode Penentuan Tegangan Terminal Generator Sinkron
2.15.1 Metode Blondel (Two Reaction Theory)
Dalam pengaturan tegangan dengan metode EMF, Reaksi jangkar dihitung
dengan cara diekivalensikan terhadap tegangan reaktansi jangkar, dalam bentuk
ini adalah pengembangan dari konsep reaktansi sinkron. Ini memungkinkan hanya
digunakan pada mesin non salient pole. Dimana celah udaranya dianggap uniform
dan reluktansi rangkaian magnetik adalah benar-benar konstan.
Dalam mesin salient pole, mmf jangkar tidak dapat ditentukan hanya
dengan mengandalkan reaktansi ekivalennya, karena celah udaranya tidak uniform
dan reluktansi sepanjang kutub d-axis lebih kecil dari q-axis [3].
Perbedaaan harga reluktansi dalam kutub dan antar kutubnya membuat
analisa mesin rotor salient pole benar-benar berbeda dari mesin rotor silinder.
Disini pengaruh salient pole dapat dihitung dengan bantuan two reaction theory
seperti yang diusulkan oleh BLONDEL. Teori ini menyatakan bahwa arus jangar I
harus diselesaikan dalam bentuk dua komponen, yakni Fad (Id), dalam waktu q-axis dengan Ef (sebagai komponen magnetising atau demagnetising) yang hanya menghasilkan perubahan kekuatan fluksi medan. Komponen yang kedua, adalah
47 Gambar 2.30 Diagram fasor teori dua reaksi dari mesin sinkron salient pole komponen mmf jangkar Fad dan Faq dapat diambil sebagai komponen yang dihasilkan oleh arus jangkar I yang sefasa denga Fad dan Faq, misalnya masing-masing Id dan Iq.
Dimana : Id= I sin θ ... (2.45) Iq= I cos θ... (2.46)
Θ = sudut fasa internal
ingat bahwa banyaknya d-axis adalah satu, sehingga efek magnetiknya sepanjang
sumbu kutub medan. Dalam hal ini, Fad dan Id berada pada d-axis. Banyaknya sumbu q-axis juga adalah satu dimana Faq dan Iq berada pada q-axis tersebut.
Pada metode EMF, mmf jangkar ditempatkan oleh q-axis yang lagging
terhadap tegangan induksi. Dengan demikian, komponen mmf jangkar dapat
diuraikan menjadi Ead dan Eaq dengan lagging 90o, terhadap masing-masing Fad dan Faq (Id dan Iq).
Dari gambar 2.30 diatas , Ead adalah tegangan induksi dari kumparan jangkar ke d-axis dari reaksi jangkar Fad, sehingga dapat ditulis:
48 Disini Xad dan Xaq adalah sebanding dengan konstanta dan dapat didesain sebagai reaktansi jangkar pada masing-masing d-axis dan q-axis.
Drop tegangan reaktansi Xat pada kumparan dapat ditulis: -j.I.Xat = -j ( Id + Iq ).Xat = -j. Id. Xat . j . Iq . Xat ... (2.49)
Disini drop tersebut boleh dikombinasikan dengan ekivalen reaksi jangkar emd
untuk menentukan reaktansi sinkron d dan q-axis.
Dengan demikian, Xd = Xat + Xad = reaktansi sinkrin pada d-axis ... (2.50) Xq = Xat + Xaq = reaktansi sinkrin pada q-axis ... (2.51) Reaktansi leakage jangkar Xat sudah dianggap sama pada d-axis dan q-axis.
[image:62.595.111.501.359.533.2]a. diagram fasor dua reaksi generator sinkron b. Versi yang disederhanakan
Gambar 2.31 Diagram fasor dua reaksi generator sinkron disederhanakan Jadi yang perlu diingat dan dicatat perbedaan metode emf dengan metode dua
reaksi, metode emf memperkenalkan konsep reaktansi sinkron (Xs) yang dihitung untuk seluruh reaktansi jangkar, sedangkan metode dua reaksi memperkenalkan
konsep dua reaksi, satu diasosiasikan dengan d-axis komponen dari mmf jangkar,
dan satu lagi dengan q-axis komponen mmf jangkar.
49 Ef = Vt + Ia.R + j . Id . Xd + j . Iq . Xq ... (2.52)
Dalam menggunakan diagram fasor gambar 2.30 arus jangkar I, harus
diselesaikan dalam komponen d-axis dan q-axis. Prosedur ini seperti yang telah
dianalisa dalam mengambil persamaan dimana diproleh harga Ef. Dengan demikian, pengaturan tegangan untuk generator sinkron salient pole dapat dicari
[3].
Dimana:
Vt = Tegangan Terminal R = Tahanan jangkar Xq = Reaktansi q-axis Ef = Tegangan Induksi Id = Arus pada d-axis Xd = Reaktansi d-axis Ia = Arus Jangkar Iq = Arus pada q-axis
1. Menghitung Xd
Pengukuran reaktansi sinkron pada d-axis (Xd), dapat ditentukan dari test beban nol dan test hubung singkat. Dimana persamaannya adalah :
�� = ������������ℎ���������������������������������������������������������������� ……. (2.53)
2. Menghitung Xq
Sedangkan untuk mengukur reaktansi sinkron pada q-axis (Xq) dapat ditentukan dengan beberapa cara, yakni:
• Dengan metode test slip
• Test arus lagging maksimum
a. Dengan metode test slip
50 Kumparan medannya, tetap dibiarkan dalam keadaan terbuka, kemudian
kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan yang direduksi 20% bsampai
40% dari harga ratingnya, dan rate frekuensinya dipengaruhi melalui terminal
jangkar. Pada kondisi ini kecepatan relatif konstan antara kutub medan dengan
mmf jangkar, adalah sama dengan perbedaan antara kecepatan sinkronnya dengan
kecepatan rotornya. Sehingga dikenal juga dengan test slip. Pada suatu keadaan
dimana bentuk gelombang mmf jangkar segaris dengan sumbu kutub medan.
Maka reluktansi yang diberikan oleh mmf jangkar adalah minimum, dan pada
keadaan ini tegangan terminal jangkar sefasa dibagi oleh arus yang dihasilkannya,
[image:64.595.220.404.358.575.2]akan memberikan harga Xd.
Gambar 2.32 Osilograph Test Slip
Setelah ¼ siklus gelombang slip, bentuk gelombang mmf jangkar berada pada
q-axis , dimana reluktansinya yang yang dihasilkan mmf jangkar adalah
maksimum. Pada keadaan ini perbandingan antara tegangan terminal jangkar
perfasa dengan hubungannya arus jangkar perfasa akan memberikan harga Xq.
51
�� =������������ �������������������������������������������� (����� (����)) ……….(2.55)
Karena tegangan terminal jangkar yang digunakan adalah kecil (tidak
menghasilkan harga saturasi), maka harga reaktansi yang ditentukanpun harga
yang belum mencapai saturasi.
Dalam test ini harga slip dibuat sekecil mungkin sehingga harga yang diperoleh
kurang sesuai, karena harga reaktansi yang diperoleh tergantung dari kejenuhan
inti dan slip. Dengan demikian test ini hanya cocok digunakan untuk menentukan
perbandingan antara Xd dan Xq. Jadi harga Xd yang digunakan adalah dari test beban nol dan hubung singkat [3].
Maka Xq dapat dicari dengan :
Misalkan : Xd’ = reaktansi d-axis dari test slip Xq’ = reaktansi q-axis dari test slip
Xd = reaktansi d-axis dari test beban nol dan hubung singkat
Maka: �� �� =
��′
��′ …………..(2.56)
�� =���′
�′.��………
