DAFTAR PUSTAKA
[1} Ahmad,Faisal. 2011. Analisa Perbandinga Pengaruh Pembebanan Resistif, Induktif, Kapasitif dan Kombinasi Beban R L C Terhadap Regilati Tegangan dan Efisiensi pada Generator Sinkron tiga phasa.
[2] Zuhal. 1990. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Gramedia. Jakrta.
[3] http://id.M.Wikipedia.Org/Wiki/Harmonisa
[4] http://citizenimages.Kompas.com/blog/view/144150-beban-linear.
[5] Stratford, Ray P.,”Rectifier Harmonics in Power System”. IEEE Trans. Ind. Appl. 29, 28-535 (1980)
[6] http://Konversi.wordpress.com/2014/04/13/Pengaruh-Harmonisa-pada-sistem-tenaga-Listrik
[7] Chapan, Stephen J.,”Elctric Machinery Fundamental”, Singapore: Mc Graw-Hill. Inc, 1985
[8] Gupta,J. B.,”Theory and Performance of Electrical Machines”, S. K. Kataria & Sons., 2004
[9] Drs. Yon Rijono. 1997. Dasar Teknik Tenaga Listik. Penerbit ANDI. Yogyakarta.
BABBIIIB
METODEBPENELITIANB
3.1BB TempatBdanBWaktuB
Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penelitian dilaksanakan selama dua bulan pada bulan oktober sampai November 2014.B
3.2B BahanBdanBPeralatanB
Peralatan yang akan digunakan untuk penelitian sebagai berikut
a. Generator Sinkron
Tegangan : 220 V
Hubungan belitan jangkar : Delta (∆) Arus nominal jangkar : 7 Amper
Daya generator : 2,67 kW
Putaran nominal : 1500 rpm
Faktor daya : 0,8
b. Motor arus searah penguatan bebas
Tegangan : 220 VB
Arus jangkar : 22,7 AmperB
Daya : 5 kWB
Tegangan medan : 220 VB
Arus medan : 0,17 AmperB
d. B eban-beban
Beban linear (Lampu Pijar 75 W, 150 W, 225 W, 300 W, 375 W) Beban nonlinear (Lampu hemat nergi, 75 W, 150 W, 225 W, 300 W,
375 W) e. Alat-alat
Cos meterB
Volt meter AC dan DCB Amper meter AC dan DCB Watt meterB
Torsi meterB Tacho meterB
3.3BB VariabelByangBDiamatiB
Variabel yang diamati dalam penelitian ini adalah:
1. Tegangan Terminal (Vt).
2. Daya keluaran (Pout)
3. Torsi.
3.4.1 RangkaianBPercobaanB a. Rangkaian beban nol
GambarB3.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol
b. Rangkaian hbung singkat
B GambarB3.2 Rangkaian Percobaan hubung singkat
P
T
D
C
1
M
V1S1
G
n A
B C
PTDC 2 PTDC 3 S3
A2 If
S2 A1
c. Rangkaian Berbeban
GambarB3.3 Rangkaian Percobaan Berbeban
3.5BBB ProsedurBPenelitianB B a. Beban nol
1. Alat-alat dirangkai seperti Gambar 4.1, PTDC pada posisi minimum.
2. Tutup S2 dan atur arus penguat motor dengan mengatur PTDC2 hingga harga nominal.
4. Catat tegangan terminal saat arus penguat generator belum dinaikkan (If = 0).
5. Tutup S3 dan naikkan arus penguat generator secara bertahap dengan mengatur PTDC3. Dimana, putaran dijaga konstan pada setiap kenaikkan arus penguat generator, kemudian catat tegangan terminal.
6. Turunkan arus penguat generator (PTDC3 minimum) lalu buka S3. Minimumkan PTDC1 dan PTDC2 hingga nol, lalu buka S1 dan S2. 7. Percobaan selesai.
b. Hubung singkat
1. Alat-alat dirangkai seperti Gambar 4.3, PTDC pada posisi minimum.
2. Tutup S2 dan atur arus medan motor dengan mengatur PTDC2 hingga harga nominal.
3. Tutup S1 dan atur tegangan motor (V1) dengan mengatur PTDC1 hingga diperoleh harga nominal.
4. Tutup S3 dan naikkan arus penguat generator (If) secara bertahap dengan mengatur PTDC3.
5. Catat arus hubung singkat generator generator (Ia) untuk setiap tahapan arus medan generator (If) dengan putaran generator dijaga konstan.
c. Berbeban
1. Rangkaian dirangkai seperti Gambar 4.6 di atas. Semua saklar dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum. 2. Saklar S1, S2 ditutup dan PTDC 1 dan PTDC 2 diatur untuk
memberikan tegangan ke terminal jangkar dan arus medan motor sampai dicapai putaran nominal generator.
3. Saklar S3 ditutup dan PTDC 3 diatur sampai arus medan yang terbaca pada A3 sebesar 0,15 A.
4. Beban linear/nonlinear dipasang dengan menutup saklar S4. Beban dinaikkan secara bertahap dengan menjaga If konstan.
5. Untuk setiap penambahan beban, dicatat nilai yang terbaca pada alat ukur Wattmeter, A4, V2 dan besar torsinya. V2 adalah besar tegangan terminal generator.
6. Setelah itu PTDC diturunkan hingga nol dan semua saklar dibuka. 7. Untuk percobaan dengan beban induktif, kapasitif, dan kombinasi
RLC dilakukan dengan cara yang sama seperti dengan beban resistif.
8. Percobaan selesai.
3.6BBB PelaksanaanBPenelitianB
Diagram blok pelaksanaan penilitian pada Tugas Akhir ini diperlihatkan pada Gambar 3.1.
GambarB3.B4 Diagram Blok Pelaksanaan Penelitian
BABBIVB
HASILBPENELITIANBDANBPEMBAHASANB
4.1BUmumB
Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh perubahan beban terhadap kinerja generator sinkron tiga phasa maka diperlukan beberapa percobaan yaitu :
1. Percobaan Generator berbeban linear. 2. Percobaan Generator berbeban nonlinear.
Dengan memutar altenator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If); tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator.
E0 = cnØ...(4.1)
C = Konstanta mesin n = putaran sinkron
Ø= fluks yang dihasilkan oleh If.
Pada generator sinkron keadaan jalan tanpa beban mengandung arti bahwa arus armatur (Ia) = 0. Dengan demikian besar tegangan terminal adalah:
Vt = Ea = E0...(4.2)
Oleh karena besar ggl armatur adalah merupakan fungsi dari fluks magnit, maka ggl armatur dapat juga ditulis:
Ea = f(Ø)...(4.3)
penguat medan pada keadaan tertentu besarnya, akan didapatkn besar ggl armatur tanpa beban dalam keadaan saturasi.
Dengan adanya beban yang terpasang pada output generator sinkron, maka segera mengalir arus armatur (Ia); dengan adanya arus armatur ini, pada kumparan armatur atau kumparan jangkar timbul fliks putar jangkar. Fluks putar jankar ini bersifat mengurangi atau menambah fluks putar yang dihasilkan oleh kumparan rotor. Hal ini tergantung pada faktor daya beban.
Dengan adanya fluks putar armatur akibat timbulnya arus armatur, maka pada kumparan timbul reaktans pemagnit Xm. Reaktans pemagnit bersama-sama dengan reaktans bocor dikenal dengan nama reaktans sinkron (Xs) dan secara matematis ditulis, [9]
Xs = XL = Xm. ...(4.4)
4.2 BBBBBPercobaanBMenentukanBParameterBGeneratorBSinkronBTigaBPhasaB 4.2.1 PercobaanBBebanBNolB
a. DataBPercobaanB
TabelB4.1 Tegangan induksi sebagai fungsi arus medan
Putaran : 1500 rpm
NoB IfB(mA)B VB(Volt)B
1B 0B 12B
2B 20B 40B
3B 40B 63B
4B 60B 89B
6B 100B 138B
7B 120B 156B
8B 140B 177B
9B 160B 195B
10B 180B 209B
11B 200B 220B
12B 220B 229B
13B 240B 236B
14B 260B 240B
15B 280B 249B
16B 300B 253B
17B 320B 257B
18B 340B 261B
B
b. KurvaBKarakteristikBBebanBNolB
B
4.2.2 PercobaanBHubungBSingkatB a. Data Percobaan
Data percobaan hubung singkat dapat di lihat pada Tabel 4.2 dibawah ini.
TabelB4.2 Arus hubung singkat sebagai fungsi arus medan
Putaran : 1500 rpm
NoB ArusBmedanBIfB
(mA)B
ArusBhubungBsingkatB IscB(A)B
1 0 0,42
2 20 1,42
3 30 1,84
4 40 2,24
5 50 2,62
6 60 3,06
7 70 3,49
8 80 4,05
9 90 4,44
10 100 4,89
B
B
B
B
b. KurvaBKarakteristikBHubungBSingkatB
B
GambarB4.2 Karekteristik Hubung Singkat
4.2.3 BBPenentuanBParameterBGeneratorBSinkronB
Untuk menghitung parameter generator sinkron, maka dapat diketahui dari karakteristik hubung singkat dan beban nol seperti gambar di bawah ini.
B
(b)
GambarB4.3 Karakteristik Percobaan (a) Hubung Singkat (b) Beban Nol
a. ImpedansiBSinkronB
Besar nilai impedansi Zs dapat ditentukan seperti Persamaan 3.1
I E ZS
(Ohm). Maka nilai impedansi sinkron untuk kondisi saturasi seperti pada gambar 4.5 dapat dirumuskan sebagai berikut :B
SC nl S
I
E
Z
(Ohm). Dari gambar 4.5 nilai Enl adalah 249 Volt dengan arusmedan (If) sebesar 280 mA. Untuk arus medan yang sama maka arus hubung singkat Isc pada kurva hubung singkat adalah sebesar 15,2 A. Maka besar impedansi sinkron Zs adalah
Ohm ZS 16,4
2 , 15
249
b. ReaktansiBSinkronB
B BB Karena tahanan jangkarnya besarnya sangat kecil maka tahanan jangkar diabaikan (Ra≈0) sehingga diperoleh reaktansi sinkron Zs = Xs = 16,4 ohm.
4.3 PercobaanBBerbebanB
Percobaan ini untuk melihat hubungan antara arus beban dan faktor daya tertentu dengan efisiensi dan arus beban dengan regulasi tegangan, dimana arus medan dan putaran rotor dijaga konstan.
a. DataBPercobaanB
B TabelB4.3.aB Data percobaan pada beban linearB Arus Medan : 0,15 Amper
Faktor Daya : 1
NoB BebanB (Watt)B IaBB (A)B VtB (volt)B nsBB (Rpm)B PoutB (Watt)B TB (kg-m)B
1B 75B 0,21B 231B 1500B 50B 0,063B
2B 150B 0,43B 229B 1450B 100B 0,129B
3B 225B 0,66B 227B 1450B 150B 0,198B
4B 300B 0,9B 221B 1400B 200B 0,27B
5B 375B 1,3B 218B 1400B 330B 0,39B
B
TabelB4.3.b Data percobaan pada beban nonlinear
NoB BebanB (Watt)B IaB(A)B VtB (Volt)B nsBB (Rpm)B PoutB (W)B CosB phiB TB (kg-m)B
1 75 0,29 219 1450 50 1 0,087
2 150 0,57 215 1400 100 0,93 0,183
3 225 0,93 210 1350 150 0,81 0,297
4 300 1,27 205 1300 200 0,7 0,381
5 375 1,64 200 1250 330 0,67 0,492
4.4 AnalisaB DataB PerbandinganB bebanB LinearB danB NonB linearB TerhadapB KinerjaBGenberatorBSinkronBTigaBPhasaB
4.4.1BRegulasiBTeganganB(VR)B
Regulasi tegangan dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut:[10]
VR = 100%...(4.5)
Sebelum mendapatkan berapa besar voltage regulation (VR) maka terlebih dahulu kita menghitung berapa besar tegangan induksi, dengan persamaan berikut:
E0 = (V)2 (XSIA)2...(4.6)
a. Beban linearB
75 wattB
E0 = (231)2(16,4x0,21)2 = 231,026
VRB=B , x 100% = 0.01 %
150 wattB
VRB=B , x 100% = 0,05%
225 wattB
E0 = (227)2(16,4x0,66)2 = 227,26
VRB=B , x 100% = 0,11 %
300 wattB
E0 = (221)2 (16,4x0,9)2 = 221,49
VRB=B , x 100% = 0,22 %
375 wattB
E0 = (218)2 (16,4x0, ,13)2 = 219,04
VRB=B , x 100% = 0,48 %
B b. Beban nonlinearB
E0 = (Vt.cos)2 (Vt.sinXSxIa)2
B
75 wattB
E0 = (219)2(16,4x0,29)2 = 219,05
150 wattB
E0 = (215.0,93)2(215.0,3716,4x0,61)2 = 219,09
VRB=B , x 100% = 1,9 %
225 wattB
E0 = (210.0,81)2(210.0,5916,4x0,0,93)2 = 219,7
VRB=B , x 100% =4,6 %
300 wattB
E0 = (205.0,7)2(205.0,7116,4x,127)2 = 220,36
VR =B , x 100% = 7,49 %
375 wattB
E0 = (198.0,67)2(198.0,7416,4x,164)2 = 218,71
VRB=B , x 100% = 10,46%
B
4.4.2 EfisiensiB(Ƞ)B
Efisiensi dapat diperoleh dengan persamaan:
Pin = . .
a. Beban linear • 75 watt
Pin = . , . = 92,30
ȠB=B , x 100% = 54,17%
• 150 watt
Pin = . , . = 191,85
ȠB=B , x 100% = 52,12%
• 225 watt
Pin = . , . = 294,46
ȠB=B , x 100% = 50,94%
• 300 watt
Pin = . , . = 398,77
ȠB=B , x 100% = 50,15%
• 375 watt
Pin = . , . = 564
ȠB=B x 100% = 48,76%
Pin = . , . = 129,38
ȠB=B , x 100% = 50,23%
• 150 watt
Pin = . , . = 262,76
ȠB=B , x 100% = 46,81 %
• 225 watt
Pin = . , . = 386,31
ȠB=B , x 100% = 41,42 %
• 300 watt
Pin = . , . = 498,23
ȠB=B , x 100% = 38,13%
• 375 watt
Pin = . , . = 628,21
ȠB=B , x 100% = 37,70 %
4.4.3 TabelBAnalisaBDataB a. BebanBlinearB
TabelB 4.4B Hasil analisa data pengaruh pembebanan linear terhadap
tegangan terminal, regulasi tegangan, dan efisiensi generator sinkron 3 phasa.
No Beban Ia (A) Vt (V) E0 (V) Pin (W) Pout (W) Torsi (Kg.m) VR (%) Ƞ (%)
1 75 0,21 231 231,026 92,30 50 0,063 0,01 54,17
2 150 0,43 229 229,11 191,85 100 0,129 0,05 52,12
3 225 0,66 227 227,26 294,46 150 0,198 0,11 50,94
4 300 0,9 221 221,49 398,77 200 0,27 0,22 50,15
5 375 1,3 218 219,04 564 275 0,39 0,48 48,76
b. BebanBnonlinearB
TabelB 4.5BHasil analisa data pengaruh pembebanan nonlinear terhadap tegangan terminal, regulasi tegangan, dan efisiensi generator sinkron 3 phasa.
Arus medan : 0,15
Pin : . .
No Beban Ia
(A) Vt (V) E0 (V) Pin (W) Pout (W) Torsi (Kg.m) VR (%) Ƞ (%)
1 75 0,29 219 219,05 129,38 65 0,087 0,02 50,23
2 150 0,61 215 219,09 262,76 123 0,183 1,9 46,81
3 225 0,93 210 217,09 386,31 160 0,279 4,6 41,42
4 300 1,27 205 220,77 498,23 190 0,381 7,49 38,13
5 375 1,64 198 218,71 628,21 218 0,492 10,46 37,70
4.4.4 KurvaBPengaruhBPerubahanBBebanBTerhadapBRegulasiBTeganganBdanB EfisiensiBGeneratorBSinkronBTigaBPhasaB
Beban vs VR
B GambarB4.4BGrafik beban vs Voltage Regulation (VR)B
BebanBvsBEfisiensiB
B GambarB4.5BGrafik beban vs Efisiensi B
0 2 4 6 8 10 12
0 100 200 300 400
VR ( %) Beban (Watt) LINEAR NONLINEAR 0 10 20 30 40 50 60
0 100 200 300 400
BABBVB
KESIMPULANBDANBSARANB
5.1BKesimpulanB
Dari hasil penelitian dan pembahasan yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Pada pembebanan linear didapatkan efisiensi tertinggi 54,17% dengan beban 75 watt, sedangkan pembebanan nonlinear efisiensi tertinggi 50,23% dengan beban 75 watt.
2. Efisiensi terendah pada pembebanan linear sebesar 48,76% dengan beban 375 watt, sedangkan pada pembebanan nonlinear sebesar 37,70% dengan beban 375 watt
3. Voltage regulasi terbesar pada beban linear yaitu sebesar 0,48% dengan beban 375 watt, sedangkan beban nonlinear sebesar 10,46% dengan beban375 watt.
5.2BSaranB
Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Melakukan Studi dengan jumlah beban yang lebih besar, agar terlihat lebih jelas pengaruhnya.
2. Sebaiknya dilihat seberapa besar pengaruh pembebanan linear dan nonlinear ini terhadap paralel generator sinkron tiga phasa.
BABBIIB
TINJAUANBPUSTAKA
B2.1BB GeneratorBSinkronB
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi
mekanis berupa putaran menjadi energi listrik. Energi mekanis diberikan oleh
penggerak mulanya, sedangkan energi listrik akan dihasilkan pada rangkaian
jangkarnya. Dengan ditemukannya Generator sinkron atau alternator, telah
memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan energi yang
terkandung pada batu bara, air, minyak, gas uranium ke dalam bentuk yang
bermanfaat dan mudah digunakan yaitu listrik dalam rumah tangga dan industri.
Generator sinkron atau Generator AC (alternating current). Dikatakan
Generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran
medan magnet 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 sendirii karena
kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikutii kecepatan medan putar pada waktu
sakelar teerhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator
sinkron tiga phasa atau generator sinkron tiga phasa.[1]
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
dengan putaran rotor tersebut. Hubungan antara medan magnet pada mesin
dengan frekuensi listrik pada stator ditunjukkan pada persamaan 2.1 dibawah ini:
f =
.
...(2.1)
dimana : f = Frekuensi listrik (Hz)
ns = Kecepatan sinkron
p = Jumlah kutub
Generator sinkron sering kita jumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga
listrik (dengan kapasitas yang relatif besar). Misalnya, pada PLATA, 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.[2]
2.1.1BB KontruksiBgeneratorBsinkronB
Pada prinsipnya, konstruksi Generator sinkron sama dengan motor
sinkron. 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. Selain itu generator sinkron
memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat
terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke-stator.
Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi sederhana dari sebuah generator sinkron
B
B
GambarB2.1BKonstruksi Generator Sinkron Secara UmumB
a. RotorB
Rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu :
1. 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 kesumber arus searah melalui
sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.
2. 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
3. Kumpara rotor (kumparan medan)
Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama
dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus
searah dari sumber eksitasi tertentu.
4. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana
pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap
poros rotor.
Bentuk suatu rotor dari generator sinkron dapat dilihat pada Gambar
2.2 berikut:
B
B
GambarB2.2BRotor Generator SinkronB
Rotor pada generator sinkron pada dasarnya sebuah elektromagnet
yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient pole (kutub
menonjol) dan non salient pole (kutub silinder atau tak menonjol).
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak.
Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi
laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy,
kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub
menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang 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 2.3 berikut :
GambarB2.3BRotor Kutub Menonjol Generator SinkronB
Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron
dengan kecepatan putaran 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
Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan
mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara
bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Rotor kutub tak menonjol (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 di enerjais oleh eksiter.
Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat
panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih
baik karena rugi-rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub
menonjol (salient pole rotor). Gambar bentuk kutub silinder generator
sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4 berikut:
B
B
B
[image:30.612.299.407.499.632.2]B
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron degan
kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk
pembangkit listrik berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan
gas. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan tinggi karena:
Distribusi disekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus
sehinggu lebih baik dari kutub menonjol.
Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar
tinggi.
b. StatorB
Stator atau armatur adalah bagian generator yang berfungsi sebagai tempat
untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus 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 sebab itu komponen ini juga disebut sebagai stator.
Bentuk suatu stator dari generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.5
berikut:
[image:31.612.234.414.509.650.2]
B
Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:B
1. Rangka Stator
Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang merupakan inti jangkar
generator sinkron.
2. Inti Stator
Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetik
khusus yang terpasang kerangka stator.
3. Alur (slot) dan Gigi
Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator yaitu
kumparan jangkar. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah
[image:32.612.168.404.428.532.2]terbuka, dan tertutup. Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti
Gambar 2.6 berikut
GambarB2.6BBentuk-bentuk Alur
4. Kumparan Stator (Kuparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini
2.1.2 MetodeBEksitasiBPadaBGeneratorBSinkronB
Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron,
sistem eksitasi terdiri dari dua jenis 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).
a. SistemBEksitasiBKonvensionalB(MenggunakanBGeneratorBArusBSearah)B
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 distator generator sinkron.
Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu generator
arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip
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 sebagai generator sinkron
static exciter (penguat statis). Gambar 2.7 adalah sistem eksitasi yang
[image:34.612.262.422.296.419.2]menggunakan generator arus searah.
GambarB2.7BSistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus SearahB
b. SistemBEksitasiBStatisB
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
Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, manet sisa ini akan
menimbulkan tegangan pada stator tegangan ini kemudian masuk dalam
penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang
dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai
dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu
mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan.
Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR.
Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan
sistem eksitasi statis memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator
arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada
penggerak mula hilang. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu
penyearah karena itu disebut eksiter statis.
GambarB2.8 Gambar eksitasi statis
Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem
eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena
PT
CT
AVR
Transformator eksitasi System Tiga Phasa
generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk
mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini
menyebabkan system eksitasi ini tidak efisien dan efektif.
c. SistemBEksitasiBMenggunakanBBateraiB
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
[image:36.612.140.499.435.667.2]dengan putaran rotor, seperti pada Gambar 2.9 berikut:
Dari Gambar 2.9 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada
bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang
sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung
disalurkan kebagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan
karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki
bersama-sama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada
generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan penguat
(eksiter).
Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka catu
daya DC (baterai) biasanya dilepasdan digantikan oleh penyearah. Penguatan
yang dipakai adalah sistem self exitation system yaitu sistem dimana sumber daya
[image:37.612.137.500.401.643.2]untuk penguatannya diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri.
Gambar 2.10 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat.
Pada Gambar 2.10, untuk membangkitkan arus medan digunakan
penyearah, dimana arus yang disearahkan diperoleh dari keluaran tiga phasa
generator itu sendiri melalui transformator atau sering disebut Eksitasi
Transformator, berfungsi menurunkan tegangan keluaran generator untuk
disuplai pada penyearah.
d. SistenBEksitasiBMenggunakanBPemanenBMagnetBGeneratorB
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 2.11 dapat
dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen
Magnet Generator.
Dari Gambar 2.11, 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
B
GambarB2.11BSistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet GeneratorB
2.1.3BBB BBBPrinsiBKerjaBGeneratorBSinkronB
Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber
eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan
medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan
medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu
adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
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
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 :
dt d N
e
dt
t
Sin
d
N
maks
t
Cos
N
maks
dimana : 2f
f
Cos
t
N
2
maks
dimana : 120 np f t Cos npN
maks
120 2 maks
maks N np
E
120 . 14 , 3 . 2 2120 . 14 , 3 . 2 ( 2 maks maks eff np N e
E
, 120 44 ,
4 Npn
dimana : )
120 44 , 4
( Np C
Cn
dimana : E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan
C = Konstanta P = Jumlah kutub
n = Putaran (rpm) f = Frequensi )Hz)
= Fluks magnetik (weber)Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar
yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan
kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada
ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama
lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk
menghasilkan energi listrik.[2]
[image:41.612.155.449.356.684.2]2.1.4 ReaksiBjangkarB
Bila beban terhubung ke terminal generator maka pada belitan stator akan
mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator. Medan magnet
ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor. Seperti yang
dijelaskan pada Gambar 2.12.
Pada Gambar 2.12.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan
tegangan induksi EA. Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus
pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.12.b. Arus stator tadi akan
meghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan stator Estat, seperti pada
Gambar 2.12.c. Vektor penjumlahan antara Bs dan BR menghasilkan Bnet, dan
penjumlahan Estat dan EA akan menghasilkan 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 Bs, yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator Estat. Dua tegangan
yaitu tegangan jangkar EA dan tegangan reaksi jangkar Estat akan menghasilkan
Vt, dimana:
Vt = EA + Estat ……….(2.3)
Tegangan Reaksi Jangkar Estat = -jXIa
Sehingga Persaman (2.3) dapat ditulis kembali sebagai :
Vt = EA -jXIa...(2.4)
Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator
penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga Persamaan
(2.4) dapat ditulis kembali sebagai:
Vt = EA-jXIa-jXaIa-IaRa………..(2.5)
Vt = EA-jXsIa-IaRa………..(2.6)
dimana : Vt = Tegangan terminal generator (Volt)
Estat = Tegangan pada stator (Volt)
EA = GGL pada jangkar (Volt)
Xs = Impedansi Sinkron (Ohm)
Ia = Arus Jangkar (Amper)
Ra = Tahanan Jangkar (Ohm)
Xar = Impedansi armature (Ohm)
Dari Persamaan (2.6) dapat dibuat model rangkaian ekivalen generator sinkron
per fasa seperti pada Gambar 2.15 berikut:
B
2.1.5 BRangkaianBEkivalenBGeneratorBSinkronB
Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari
tahanan Ra dan induktansi Xla maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron
dapat dibuat seperti Gambar 2.14.
B
GambarB2.14BRangkaian Ekivalen Generator SinkronBB
Dengan melihat Gambar 2.14 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator
sinkron sebagai berikut :
Ea = V + jXarIa + jXlaIa + Ra Ia………...…(2.7)
Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
V = Ea – jXarIa – jXlaIa – Ra Ia...(2.8)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor
sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = Xar + Xla dapat dilihat pada Gambar 2.15
maka persamaan menjadi:
GambarB2.15BPenyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah
tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Diagram
fasor yang menunjukkan antara tegangan induksi perfasa dengan tegangan
terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.15
2.1.6 JenisBBebanB
Adapun jenis beban yang dilayani generator terbagi dua jenis, yaitu :
a. BBeban Linear
Beban linear adalah beban yang impedansinya selalu konstan sehingga
arus selalu berbanding lurus dengan tegangan setiap waktu. Beban linear ini
mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan bahwa arus berbanding lurus dengan
tegangan. Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban linear akan sama dengan
bentuk gelombang tegangan. Apabila diberi tegangan sinusoidal, maka arus yang
mengalir ke beban linear juga merupakan sinusoidal sehingga tidak terjadi distorsi
dan tidak menimbulkan mharmonisa. Beban ini berupa elemen pasif seperti
resistor, komputer dan kapasitor. Beberapa contoh beban linear adalah lampu
pijar, pemanas, resistor, dan lain-lain.[3]
GambarB2.17BBentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban linear
Adapun pengaruh dari beban linear terhadap generator sinkron yaitu :
Kita ketahui bahwa beban linear tersebut tidak mempengaruhi
bentuk tidak berubah (tetap), artinya efek yang ditimbulkan oleh beban linear
tidaklah mempengaruhi bentuk gelombang sinusoidal, melainkan beban linear
hanya mempengaruhi besar arus dan tegangan genrator sinkron seiring kenaikan
beban.[4]
b. Beban nonlinear
Beban non linear adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam
setiap periode tegangan masukan. Dengan impedansinya yang tidak konstan,
maka arus yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang
diberikan, sehingga beban non linear tidaklah mematuhi Hukum Ohm yang
menyatakan arus berbanding lurus dengan tegangan.
Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban nonlinear tidak sama dengan
bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi). Dengan meluasnya
pemakaian beban non linear, gelombang sinusoidal ini dapat mengalami
distorsi.[3]
GambarB2.18BBentuk gelombang harmonisa pada beban lampu hemat energi.
Banyaknya aplikasi beban non linear pada sistem tenaga listrik telah
harmonisa arus, THD (total harmonic distortion) yang sangat tinggi. Umumnya
arus sistem tenaga listrik yang terdistorsi tersebut didominasi oleh arus harmonisa
orde ganjil frekuensi rendah, yakni arus harmonisa orde lima, tujuh, sebelas, dan
seterusnya, yang magnitud arus harmonisanya berbanding terbalik dengan orde
harmonisanya. Tingginya persentase kandungan harmonisa arus (THD) pada suatu
sistem tenaga listrik dapat menyebabkan timbulnya beberapa persoalan harmonisa
yang serius pada sistem tersebut dan lingkungannya, seperti terjadinya resonansi
pada sistem yang merusak kapasitor kompensasi faktor daya, membuat faktor
daya sistem menjadi lebih buruk, menimbulkan berbagai macam kerusakan pada
peralatan listrik yang sensitif, yang kesemuanya menyebabkan penggunaan energi
listrik menjadi tidak efektif.[5]
Adapun contoh-contoh beban linear yaitu:
- Lampu hemat energi
- Transformator
- Charger
- Motor induksi
- Laptop, dll.
Dampak arus harmonisa pada generator sinkron yang disebabkan oleh
penggangguan beba-beban non-linear adalah sebagai berikut:
1. Beban non-linear akan menyebabkan rugi-rugi tambahan pada generator
sinkron.
2. Rugi-rugi tambahan akibat beban non-linear disebabkan oleh rugi-rugi
3. Dalam system pembangkitan energy listrik sendiri yang umumnya
menggunakan konfigurasi tiga-fasa empat-kawat, kontribusi rugi-rugi
tambahan akibat arus urutan nol lebih besar dibandingkan rugi-rugi
tambahan akibat oleh arus urutan negative.
4. Menimbulkan flux balik di stator generator dan belitan medan, [6]
Cara mengurangi harmonisa antara lain :
- Menggunakan filter pasif L
- Menggunakan filter pasif C
- Menggunakan filter pasif LC (Low pass)
- kompensasi atau injeksi harmonisa negatif.
2.2 KarakteristikBdanBPenentuanBParameter-parameterBGeneratorB
SinkronBTigaBPhasaB
2.2.1 KarakteristikBdanBPenentuanBParameterBTanpaBBebanB:BE0B=BE0B(If)BB
Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat
ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki
langkah-langkah sebagai berikut :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)
b.) Tidak ada beban yang terhubung pada terminal
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
GambarB2.19BRangkaian Test Tanpa BebanB
Dari Gambar dapat diperoleh Persamaan umum generator :
E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs)……….(2.10)
Pada hubungan generator terbuka (beban nol), Ia = 0. Maka,
E0 = VΦ = cnΦ ………..(2.11)
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Φ yang dihasilkan hanya Φf.
Sehingga :
E0 =
cn
Φf ………...(2.12)E0 =
cnI
f.
…………. ……….(2.13)Nilai cn adalah konstan sehingga Persamaan menjadi :
E0 =
k
1.I
f.
……….…. (2.14)dimana : E0 = Tegangan beban nol (Volt)
If = Arus medan (Amper)
2.2.2 KarakteristikBdanBPenentuanBParameterBGeneratorBSinkronBHubungB
SingkatB:BIscB=BIscB(If)B
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 (If) pada nol
c.) Hubung singkat terminal
d.) Ukur arus armatur (Ia) pada setiap peningkatan arus medan (If)
Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan
pada Gambar 2.21 berikut.B
B
GambarB2.20BBGambar Rangkaian Hubung SingkatBB
Dari gambar, Persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah :
E = VΦ + Ia (Ra + jXs)………..(2.15)B
Pada saat generator sinkron dihubung singkat, VΦ = 0 dan Ia = Isc . Maka :
cnΦ = Isc (Ra + jXs)…………. (2.17)
Karena cn dan (Ra + jXs) bernilai konstan, maka :
cn = k1……….. (2.18)
(Ra + jXs) = k2………. (2.19)
Sehingga Persamaan menjadi :
k1.If = Isc. k2………. (2.20)
Isc =
k
k
I
f 21 ……….... (2.21)
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 2.22 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik
hubung singkat pada generator sinkron.
B
B
B
[image:52.612.230.417.462.588.2]B
GambarB2.21BKarakteristik Hubung SingkatBB
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
(Ia) = Isc =
s a
a
jX
R
E
……….(2.22)SC C
I (A)a
If(A )
Harga Mutlaknya adalah :
Ia = Isc = 2 2
s a
a jX R
E
……….(2.23)
dimana : E0 = Tegangan beban nol (Volt)
Ia = Arus Jangkar (Amper)
Isc = Arus Hubung singkat (Amper)
Ra = Tahanan jangkar (Ohm)
Xs = Impedansi sinkron (Ohm)
2.2.3 KarakteristikBdanBPenentuanBParameterBGeneratorBSinkronBBerbebanB
:BVB=BV(If)B
Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron
berbeban antara lain sebagai berikut :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)
b.) Beban (ZL) terpasang pada terminal generator sinkron
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If)
B
Dari Gambar 2.24 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)…………..(2.24)
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs)…………. (2.25)
2.2.4 KarakteristikBLuarBGeneratorBSinkronB:BVΦB=BfB(IL)B
Karakteristik ini akan memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus
beban (IL) terhadap tegangan terminal generator sinkron (VΦ). Dalam penentuan
karakteristik luar generator sinkron, beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah
sebagai berikut :
a.) Kecepatan putar generator sinkron (n) tetap
b.) Arus medan (If ) konstan
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Dari gambar rangkaian generator sinkron berbeban yang telah
diperlihatkan pada Gambar 2.24 sebelumnya, diperoleh persamaan :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)………….(2.26)
Sehingga Persamaan tegangan terminal VΦ generator sinkron dalam keadaan
berbeban :
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.27)
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang mengalir
pada beban atau:
Ia = IL
maka :
VΦ = cnΦ – ILZs………..….. (2.29)
VΦ = cnIf – ILZs……….... (2.30)
Karena c, n dan If konstan :
VΦ = k1 – ILZS………... (2.31)
Nilai Zs tetap, sehingga :
VΦ = k1 – ILk2………. ..(2.32)
Jika arus beban (IL) = 0 (beban nol), maka :
VΦ = k1
Jika tegangan terminal (VΦ) = 0 (hubung singkat), maka :
cn Z I cn V
I l s
f
………. (2.33)
2.2.5 KarakteristikBPengaturanBGeneratorBSinkronB:BIfB=BfB(IL)B
Karakteristik ini menunjukkan hubungan antara perubahan arus beban (IL)
dengan terhadap arus medan (If) generator sinkron. Dimana, dalam karakteristik
ini perlu diperhatikan hal-hal berikut :
a.) Tegangan terminal VΦ dijaga konstan
b.) putaran tetap
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Persamaan untuk generator berbeban (Gambar 2.24) :
Ea = VΦ + Ia ( Ra + jXS )………..(2.34)
IL = Ia
sehingga :
Ea = VΦ + IL(Ra + jXS )…………. (2.35)
cnΦ = VΦ + ILZS
cnIf = VΦ + ILZS
If =
cn Z I cn
V L S
………..…. (2.36)
karena nilai c, n, VΦ, dan Zs konstan, maka :
cn = k1
VΦ = k2
Zs = k3
sehingga diperoleh :
If =
k
k
k
k
I
L 1 31
2
………..…. (2.37)jika, 4 1 2
k
k
k
5 1 3k
k
k
maka,2.2.6 FaktorBDayaB
Tegangan yang dibangkitkan pada generator sinkron adalah arus bolak-balik, maka biasanya digambarkan dalam bentuk phasor. phasor ini mempunyai dua besaran yaitu besaran saklar (magnitude) dan besaran sudut, dimana
hubungan keduanya harus digambarkan dalam dua dimensi. Bila EΦ Vt, jXSIa dan
IaRa digambar dalam satu gambar yang menunjukkan hubungan antara
besaran-besaran tersebut, maka hasil dari gambar ini dinamakan Diagram Phasor.
Gambar 2.21.a menunjukkan hubungan, dimana generator melayani beban
dengan faktor daya satu (beban resistif murni). Gambar 2.21, total tegangan Ea
berbeda dengan tegangan Phasa Vb ini disebabkan tegangan drop pada elemen
resistif dan induktif pada mesin. Semua tegangan dan arus dari Gambar 2.21.a ini
direferensikan terhadap Vt, (Vt sebagai referensi, 00
t t V
V .
Diagram phasor ini dapat dibandingkan dengan diagram phasor untuk
generator yang melayani beban induktif dan kapasitif (lagging dan leading),
dimana diagram phasor untuk kedua beban ini masing-masing diperlihatkan pada
Gambar 2.21.b dan Gambar 2.21.c. Perlu dicatat bahwa arus jangkar dan tegangan
phasa yang diberikan, bahwa Ea yang dibutuhkan untuk beban langging (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 = KΦω
GambarB2.23BDiagram Phasor Generator Sinkron.B
BBBBBBB(a)BBerbeban Resistif,B(b)BBerbeban Induktif,B(c)BBerbeban Kapasitif
2.2.7 RegulasiBTeganganBGeneratosBSinkronBDenganBMetodeBImpedansiB
SinkronB
Dalam metode ini akan diperoleh nilai impedansi sinkron Zs (kemudian
reaktansi sinkron Xs) sebuah generator sinkron dari karakteristik beban nol (OCC)
dan hubung singkat (SCC). Oleh karena itu disebut metode impedansi sinkron.
- Gambar karakteristik beban nol (OCC) dari data yang diberikan test beban nol
(gambar 2.22)
- Gambar karakteristik hubung singkat (SCC) dari data yang diberikan oleh test
hubung singkat (gambar 2.22). kedua kurva tersebut digambarkan pada dasar
nilai arus medan yang sama.
Arus medan dilambangkan dengan (If). Tegangan beban nol (hubung terbuka)
yang berpotongan dengan arus medan If dilambangkan dengan (E1). Ketika
terminal-terminal jangkar dihubung singkat, tegangan terminal (VΦ) bernilai
nol. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa seluruh tegangan E1 digunakan
untuk menggerakkan (sirkulasi) arus hubung singkat yang disimbolkan dengan
I1 melawan impedansi sinkron (Zs) .
Maka, E1 = I1Zs
) (
) (
1 1
circuit short I
circuit open E
Zs ...(2.39)
[image:59.612.234.415.502.675.2]Sebagai catatan, E1 dan I1 merupakan nilai phasa-phasa.
- Karena Ra diabaikan, maka Zs = Xs
- Dari vektor diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.33 dapat dibuat
persamaan Ea untuk beban Resistif, induktif, dan kapasitif dan faktor dayanya.
Untuk beban resistif dari Gambar 2.23.a diperoleh :
E
A
V
2
X
SI
A
2 ...(2.40)Untuk beban Induktif dari Gambar 3.3b diperoleh :
E
A
V
X
SI
Asin
2
X
sI
Acos
2 ...(2.41)Untuk beban Kapasitif dari Gambar 3.3c diperoleh :
E
A
V
X
SI
Asin
2
X
sI
Acos
2 ...(2.42)Maka regulasi tegangan adalah :
% regulasi tegangan 0 x100%
V V E
BB
GambarB2.25BDiagram Phasor Generator Sinkron Untuk Menggambarkan Regulasi
Tegangan, (a) Beban Resistif, (b) Beban Induktif, (c) Beban Kapasitif
2.3 Rugi-rugiBGeneratorBSinkronB
sepenuhnya diubah menjadi daya elektrik [7]. Perbedaan daya tersebut merupakan
rugi-rugi generator sinkron. Rugi-rugi generator sinkron terdiri dari :
• Rugi-rugi gesekan dan angin (Pf&w)
• Rugi-rugi inti(Pcore)
• Rugi-rugi tembaga(Pcopper)
• Rugi-rugi stray(Pstray)
Rugi-rugi generator tersebut dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu
rugi tetap dan rugi rugi berubah. Rugi-rugi generator yang tergolong
rugi-rugi tetap adalah rugi-rugi-rugi-rugi inti dan rugi-rugi-rugi-rugi angin dan gesekan. Rugi-rugi-rugi inti dan
rugi-rugi gesekan dan angin bisa disebut juga no load rotational loss (PRL). Jika
generator sinkron tanpa beban diputar pada putaran nominalnya dan diberi eksitasi
sampai tegangan nominalnya, maka seluruh daya yang masuk ke generator
sinkron digunakan untuk mengatasi rugi-rugi angin dan gesekan dan rugi-rugi inti.
Rugi-rugi berubah terdiri dari tugi-rugi tembaga dan rugi stray. Kedua
rugi-rugi ini berubah seiring dengan berubahnya beban. Rugi-rugi-rugi gesekan dan angin
timbul akibat gesekan bantalan dan sikat. Karena kecepatan putaran generator
sinkron tetap maka rugi-rugi ini bernilai tetap. Rugi-rugi inti terdiri dari rugi-rugi
hysterisis dan arus pusar. Untuk mengurangi rugi-rugi hysterisis, dipilih logam
inti yang memiliki luas area hysterisis loop yang kecil. Rugi-rugi arus pusar dapat
diperkecil dengan membentuk inti berupa lapisan tipis yang terisolasi satu sama
lainnya[8].
Rugi-rugi tembaga merupakan rugi-rugi akibat pemanasan pada kumparan
tembaga. Rugi-rugi yang tidak termasuk ke dalam ketiga tugi-rugi yang telah
diagram aliran daya pada generator sinkron. Apabila generator sinkron memasok
beban linier maka tidak ada harmonisa yang timbul. Arus yang mengalir pada
stator hanya memiliki komponen fundamental saja. Rugi-rugi tembaga generator
sinkron pada kondisi beban linier dituliskan pada persamaan (2.23).
Pcopper = 3I1 R1 ...(2.44)
2.4 EfisiensiBGeneratorBSinkronB
Secara teori bahwa semua daya mekanis yang dihasilkan oleh penggerak
mula (daya output penggerak mula juga sebagai daya input generator sinkron)
generator sinkron diubah menjadi daya elektrik (daya output generator).
Perbedaan antara daya output dengan daya input mesin sinkron dipresentasikan
sebagai rugi-rugi (losses) mesin. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.26. Daya
input mekanis pada poros generator (Pin) : Pin = τappωm. Dan daya yang
dikonversikan dari mekanikal menjadi elektrikal yang prosesnya terjadi dalam
mesin.
PCONV = τind.ωm
PCONV = 3EAIA cosγ
Dimana γ adalah sudut antara EA dengan IA. Perbedaan antara daya input ke
generator dan daya yang dikonversikan dalam generator dipresentasikan sebagai
GambarB2.26 Diagram Aliran Daya Generator Sinkron
Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka
efisiensi generator sinkron dapat dituliskan sebagai berikut :
% 100
x P P
in out
...(2.54)dimana :
Pin = Pout +
PrugiPout = daya keluaran
BABBIB
PENDAHULUANB
1.1BBB LatarBBelakangB
Pemakaian energi listrik dewasa ini sudah sangat luas, bahkan manusia
sangat sulit melepaskan diri dari kebutuhan dengan energi listrik. Sistem tenaga
listrik di indonesia secara keseluruhan memakai sistem tegangan tiga phasa
dengan arus arus bolak-balik. Daya listrik tiga phasa ini dibangkitkan oleh
generator tiga phasa dan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi sampai ke
beban. Generator yang digunakan sebagai pembangkit daya listrik tiga phasa arus
bolak-balik yaitu generator sinkron.
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis
berupa putaran menjadi energi listrik. Dengan ditemukanya generator sinkron atau
altenator, telah memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan
energi yang terkandung pada sumber daya alam berupa ; batu bara, air, minyak
kedalam bentuk yang bermanfaat dan mudah digunakan yaitu listrik dalam rumah
tangga dan industri.
Perkembangan generator sinkron akan meningkatkan nilai kebutuhan
terhadap peralatan elektronik. Tentunya akan menambah jenis beban yang akan
dilayani generator tersebut berupa beban linear dan nonlinear. Hal ini tentunya
akan mempengaruhi kerja dari generator sinkron tersebut, oleh karena itu penulis
akan membahas serta mengamati seberapa besar perbandingan pengaruh beban
1.2BB BPerumusanBMasalahB
BAdapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah melihat bagaimana
pengaruh beban linear dan nonlinear terhadap kinerja generator sinkron tiga phasa
tersebut.
1.3BBB TujuanB
Adapun tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui
seberapa besar pengaruh beban linear jika dibandingkan dengan beban nonlinear
terhadap efisiensi, voltage regulasi pada generator sinkron tiga phasa.
1.4BBB BatasanBMasalahB
Pembatasan masalah yang dilakukan dalam penulisan Tugas Akhir ini
adalah sebagai berikut:
1. Generator sinkron yang digunakan sebagai aplikasi adalah Generator
sinkron tiga phasa pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT.
USU.
2. Tidak membahas tentang proteksi generator sinkron tersebut.
3. Beban yang digunakan yaitu lampu pijar (linear), dan lampu hemat
energi (nonlinear).
4. Hanya melihat pengaruh pada beban seimbang.
5. Alat ukur yang digunakan pada penelitian ini adalah alat ukur RMS
1.5BBB ManfaatB
Manfaat yang diharapkan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah dengan
melakukan studi perbandingan beban linear dan nonlinear pada generator sinkron
tiga phasa agar lebih memahami tentang generator sinkron khususnya ketika
diberi beban linear dan nonlinear terhadap kinerja generator sinkron tiga phasa
tersebut serta mengetahui seberapa besar pengaruh beban linear dan nonlinear
ABSTRAK
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis
berupa putaran menjadi energi listrik. Generator sinkron dapan melayani beban linear
dan nonlinear. Adapun beban linear dan non linear tersebut mempengaruhi kinerja
generator sinkron yang berkapasitas 2,67 KW yang digunakan sebagai peralatan
penelitian tersebut yaitu, pada beban linear semakin diperbesar beban akan mengalami
penurunan efisiensi dari 54,17% (75 W) menjadi 48,76% (375 W), sedangkan pada
beban nonlinear dari 50,23% (75 W) menjadi 37,70% (375 W). Untuk voltage regulasi
pada beban linear 375 watt sebesar 0,48%, sedangkan pada beban nonlinear 375 watt
mencapai 10,46%.
TUGAS AKHIR
STUSI PERBANSINGAN BEBAN LINEAR SAN NONLINEAR
TERHASAP KINERJA GENERATOR SINKRON TIGA PHASA
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh
DIKY IKHSAN NASUTION
NIM : 100402022
SEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MESAN
ABSTRAK
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis
berupa putaran menjadi energi listrik. Generator sinkron dapan melayani beban linear
dan nonlinear. Adapun beban linear dan non linear tersebut mempengaruhi kinerja
generator sinkron yang berkapasitas 2,67 KW yang digunakan sebagai peralatan
penelitian tersebut yaitu, pada beban linear semakin diperbesar beban akan mengalami
penurunan efisiensi dari 54,17% (75 W) menjadi 48,76% (375 W), sedangkan pada
beban nonlinear dari 50,23% (75 W) menjadi 37,70% (375 W). Untuk voltage regulasi
pada beban linear 375 watt sebesar 0,48%, sedangkan pada beban nonlinear 375 watt
mencapai 10,46%.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas berkat
rahmat dan ridho-Nya Tugas Akhir ini dapat disusun dan diselesaikan, serta shalawat beriring
salam penulis haturkan kepada junjungan Nabi Besar Muhammad SAW.
Tugas Akhir ini adalah bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk
memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik
Elektro, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah:
”STUDI PERBANDINGAN BEBAN LINEAR DAN NONLINEAR TERHADAP
KINERJA GENERATOR SINKRON TIGA PHASA.”
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda (Ali
musa Nasution) dan Ibunda (Rosmanidar), Kakak tersayang (Des Afliana ) yang selalu
memberikan semangat dan mendoakan penulis dalam penyelesaian studi hingga
menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Selama masa kuliah hingga penyelesaian Tugas Akhir ini, penulis juga banyak
mendapat dukungan, bimbingan, maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis
ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Syamsul Amien, MS., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhiryang
telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk memberikan bantuan,
bimbingan, dan pengarahan kepada penulis selama perkuliahan hingga
penyusunan Tugas Akhir ini.
2. Ibu Ir. Surya Tarmizi Kasim M.Si., selaku Dosen Wali penulis serta selaku Ketua
Departemen Teknik Elektro FT USU serta Bapak Rachmad Fauzi S.T., M.T.
memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir inidan senantiasa memberikan
bimbingan selama perkuliahan.
3. Bapak Ir. Edy Warman, MT. Dan Ir. Raja Harahap,MT., selaku Dosen Penguji
Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas
Akhir ini.
4. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik penulis menuju jenjang
Sarjana.
5. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah membantu
penulis dalam pengurusan administrasi.
6. Alhusnalia Ramadhni dan seluruh teman-teman stambuk 2010 yang selalu saling
memberi semangat, bantuan dan cerita selama mengerjakan tugas akhir.
7. Seluruh abang dan kakak senior serta adik-adik junior yang telah memberi
dukungan dan bantuan.
8. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini belum sempurna karena masih banyak
terdapat kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya. Saran dan kritik dari
pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini
sangat penulis harapkan. Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini
dapat berguna memberikan ilmu pengetahuan bagi kita semua dan hanya kepada Allah
SWT-lah penulis menyerahkan diri.
Medan, Januari 2015 Penulis
DAFTAR ISI
TEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK ... ( i )
KATA PENGANTAR ... ( ii )
DAFTAR ISI ... ( iv )
DAFTAR GAMBAR ... ( vii )
DAFTAR TABET ... ( ix )
BAB I PENDAHUTUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan ... 2
1.4 Batasan Masalah ... 2
1.5 Manfaat... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Generator Sinkron ... 4
2.1.1 Konstruksi Generator Sinkron ... 5
2.1.2 Metode Eksitasi Pada Generator Sinkron ... 12
2.1.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron...18
2.1.4 Reaksi Jangkar...20
2.1.5 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron...23
2.1.6 Jenis beban...25
2.2.1 Karakteristik dan Penentuan parameter Tanpa beban : E0=
E0(If) ... 28
2.2.2 Karakteristik dan Penentuan parameter Generator Sinkron Hubung Singkat : Isc = Isc(If) ... 30
2.2.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban : V = V(If)... 32
2.2.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : Vt = f(Ia) ... 33
2.2.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f(Ia) . 34 2.3 Faktor Daya... ... ...36
2.4 Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Metode Impedansi Sinkron ... 37
2.5 Rugi-rugi Generator Sinkron ... 41
2.6 Efisiensi Generator Sinkron ... 42
BAB III METODE PENETITIAN 3.1 Tempat dan Waktu ... 44
3.2 Bahan dan Peralatan ... 44
3.3 Variabel yang Diamati ... 45
3.4 Rangkaian percobaan ... 46
3.5 Prosedur Penelitian ... 47
3.6 Pelaksanaan Penelitian ... 49
BAB IV HASIT PENETITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum ... 51
4.2.1. Percobaan Beban Nol ... 52
4.2.2. Percobaan Hubung singkat ... 54
4.2.3. Penentuan Parameter Generator sinkron ... 55
4.3 Percobaan Berbeban ... 57
4.4 Analisa Data Perbandingan beban linear dan nonlinear Terhadap Kinerja Generator Sinkron Tiga Phasa ... 58
4.4.1 Regulasi Tegangan ... 58
4.4.2 Efisiensi ... 60
4.4.3 Tabel Analisa Data ... 62
4.4.4 Kurva Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron Tiga Phasa ... 64
BAB V KESIMPUTAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 65
5.2 Saran...65
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron Secara Umum ... 6
Gambar 2.2 Rotor Generator Sinkron ... 7
Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron ... 8
Gambar 2.4 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron ... 9
Gambar 2.5 Stator Generator Sinkron ... 10
Gambar 2.6 Bentuk-bentuk Alur ... 11
Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Menggunakan Generator Arus Searah ... 13
Gambar 2.8 Sistem Eksitasi Statis ... 14
Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai... 15
Gambar 2.10 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa ... 16
Gambar 2.11 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator ... 18
Gambar 2.12 Model Reaksi Jangkar ... 20
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Perphasa Tanpa Beban ... 22
Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron. ...23
Gambar 2.15 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron...24
Gambar 2.16 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa ... 24
Gambar 2.17 Bentuk gelom
