BAB II
GENERATOR SINKRON 2.1Umum
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan generator sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembankit listrik. Generator sinkron (sering disebut alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC).
Generator AC (alternating current), atau generator sinkron. 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 sendiri karena kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga phasa atau generator sinkron satu phasa.
2.2Konstruksi Generator Sinkron
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 secara umum :
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron Secara Umum
a. Rotor
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:
Gambar 2.2 Rotor Generator Sinkron
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).
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 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 :
Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron
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 untuk putaran rendah dan sedang karena :
• 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:
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. Stator
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:
Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu: 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 terbuka, dan tertutup. Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti Gambar 2.6 berikut
Gambar 2.6 Bentuk-bentuk Alur
4. Kumparan Stator (Kuparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan timbulnya ggl induksi.
2.3Rangkaian Belitan Stator dan Rotor 2.3.1 Belitan stator
Ada dua jenis belitan stator yang banyak digunakan untuk generator sinkron 3 phasa, yaitu:
a. Belitan Satu Lapis (Single Layar Winding)
Dari Gambar 2.7 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi lapisan didalam 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. Antara 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 akan menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis αmek, dan
sudut listrik αlis, adalah : lis mek
Pα
α 2
=
b. Belitan Berlapis Ganda (Double Layar Winding)
Kumparan jangkar 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 setator, 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 2.8 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron 3 Phasa
Gambar 2.8 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jagkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing alur ada dua sisi lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak
terletak ke dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.
2.3.2 Belitan rotor
Belitan rotor pada generator sinkron biasanya terbuat dari kawat yang halus dan diisolasi untuk tegangan yang rendah pada rotor silinder, belitan rotor ditempatkan pada alur rotor dan kedua ujungnya dihubungkan dengan sumber tegangan atau arus searah untuk memberikan eksitasi pada rotor.
2.4Metode Eksitasi Pada Generator Sinkron
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. Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah) 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 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 2.9 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator arus searah.
Generator Arus Searah Generator
Sinkron
b. 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, 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. Gambar 2.10 berikut adalah sistem eksitasi statis.
PT
CT
AVR
Transformator eksitasi System Tiga Phasa
Konverter
Gambar 2.10 Sistem Esitasi 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 system eksitasi ini tidak efisien dan efektif.
c. 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 putaran rotor, seperti pada Gambar 2.11 berikut:
Gambar 2.11 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai
Dari Gambar 2.11 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
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 untuk penguatannya diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri. Gambar 2.12 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat dengan suplai tiga phasa.
Gambar 2.12 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa
Pada Gambar 2.12, 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. Sisten 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 2.13 dapat dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator.
Dari Gambar 2.13, 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.
2.5Prinsi Kerja Generator Sinkron
Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
p f
n=120. ...(2.1)
dimana : 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 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=− ϕ dt t Sin d N ϕmaks ω − = t Cos Nωϕmaks ω − = dimana : ω=2πf
( )
f Cos t N 2π ϕmaks ω − = dimana : 120 np f = t Cos np N π ϕmaks ω − = 120 2 maks maks np N E ϕ = 120 . 14 , 3 . 2 2 120 . 14 , 3 . 2 ( 2 maks maks eff np N e E ϕ = = , 120 44 , 4 Npnϕ = dimana : ) 120 44 , 4 ( Np =C ϕ Cn = ………..(2.2)dimana : E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan
C = Konstanta P = Jumlah kutub
n = Putaran (rpm) f = Frequensi )Hz)
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.
2.6Reaksi jangkar
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 2.14.
BR EAmax IAmax ω BR ω EAmax m EAmax BR IAmax stat BS E EAmax BR IAmax stat BS E Bnet Vф (a) (b) (c) (d)
Pada Gambar 2.14.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 2.14.b. Arus stator tadi akan meghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan stator Estat, seperti pada
Gambar 2.14.c. Vektor penjumlahan antara Bs dan BR menghasilkan Bnet, dan
penjumlahan Estat dan EA akan menghasilkan Vφ 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 sinkron juga karena adanya tahanan Ra dan Induktansi belitan stator Xa, ,dan
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)
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:
If Ia Rf Lf Ra XS j V Vf t EA
Gambar 2.15 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Perfasa Tanpa Beban
2.7Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
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 2.16.
X X R E R V V L I Radj ar la a a a f f f
Dengan melihat Gambar 2.16 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 2.16
maka persamaan menjadi:
V = EA – jXsIa – RaIa (Volt)……….(2.9) X R E R V V L I Rf S a t a f f f j a
Gambar 2.17 Penyederhanaan 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 2.18
X R E R V V L I I S f a t a f f f j a 2 2 2 X R E V I S a t a j a 3 3 3 X R E V I S a t a j a 1 1 1
Gambar 2.18 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa
2.8 Karakteristik dan Penentuan Parameter-parameter Generator Sinkron Tiga Phasa
2.8.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : E0 = E0 (If)
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
X
R
E
R
V
V
L
S adj Φ 0 f f fR
aGambar 2.19 Rangkaian Test Tanpa Beban
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 =
cnIf
.
…………. ……….(2.13)Nilai cn adalah konstan sehingga Persamaan menjadi :
E0 =
k1.If
.
……….…. (2.14)dimana : E0 = Tegangan beban nol (Volt)
If = Arus medan (Amper)
k = Konstanta
Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan VΦvs If yang disebut juga
dengan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit Characteristic).
OCC Air gap line
I
O f(A)
(V) VΦ
Gambar 2.20 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)
Dari Gambar 2.20 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva berbentuk hampir benar-benar linear. Hingga pada harga-harga arus medan yang tinggi, bentuk kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai mesin sinkron memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada reluktansi
air gap. Sehingga pertama-tama hampir seluruh MMF melewati celah udara dan peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami saturasi, reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih lambat dengan peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut karakteristik air gap line.
2.8.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat : Isc = Isc (If)
Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang dihubung singkat terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain : a.) Generator diputar pada kecepatan nominal
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.
R
aX
sR
adjR
V
f fL
fI
aV
Φ=0
E
aGambar 2.21 Gambar Rangkaian Hubung Singkat
Dari gambar, Persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah :
E = VΦ + Ia (Ra + jXs)………..(2.15)
Pada saat generator sinkron dihubung singkat, VΦ = 0 dan Ia = Isc . Maka :
E = Isc (Ra + jXs) ………. (2.16)
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 = If k k 2 1 ……….... (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.
SCC
I (A)a
If(A)
o
Gambar 2.22 Karakteristik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
(Ia) = Isc = s a a jX R E + ……….(2.22)
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)
Gambar 2.23 berikut menunjukkan diagram phasor dan medan magnet yang dihasilkan pada generator yang dihubung singkat.
E B B B R stat net R a a Ia Ia jX sIa V = 0Φ
(i) Diagram Phasor (ii) Medan Magnet Gambar 2.23 Diagram Phasor dan Medan Magnet saat Hubung Singkat
Karena Bstat hampir meniadakan BR, medan magnet Bnet sangat kecil. Oleh karena itu, mesin tidak saturasi dan SCC berbentuk linear.
Dari kedua test tersebut di atas diperoleh : - Ea dari test beban nol (Open Circuit)
- Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)
Diperoleh impedansi sinkron :
Zs = a a s a I E jX R 2+ 2 = ………(2.24)
Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : Zs≈ Xs ≈ a
a
I E
2.8.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban : V = V(If)
Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban antara lain sebagai berikut :
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If) R Radj a Xs R L V V f f f Φ L O A D Ia Ea
Gambar 2.24 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
Dari Gambar 2.24 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)…………..(2.27)
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.28)
Pada generator berbeban, Ia = IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap. Ia(A) If (A) k2/k2 k2 0 CosΦ = 0 lagging CosΦ = 0 leading CosΦ = 0,8 lagging
Gambar 2.25 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban
2.8.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : VΦ = f (IL)
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)………….(2.29)
Sehingga Persamaan tegangan terminal VΦ generator sinkron dalam keadaan berbeban :
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.30)
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang mengalir pada beban atau:
Ia = IL
maka :
VΦ = Ea – IL (Ra + jXs) …………. (2.31)
VΦ = cnΦ – ILZs ………..….. (2.32)
VΦ = cnIf – ILZs ……….... (2.33)
Karena c, n dan If konstan :
VΦ = k1 – ILZS ………... (2.34)
Nilai Zs tetap, sehingga :
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 + Φ = If =………. (2.36)
Berikut ini merupakan gambar karakteristik luar generator sinkron dengan beban induktif pada berbagai harga cosφ.
PF = 1 PF = 0,8 PF = 0,6 IL (A) VΦ (V) 0
Gambar 2.26 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif
2.8.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)
Karakteristik ini menunjukkan hubungan antara perubahan arus beban (IL)
dengan terhadap arus medan (If) generator sinkron. Dimana, dalam karakteristik
ini perlu diperhatikan hal-hal berikut : a.) Tegangan terminal VΦ dijaga konstan b.) putaran tetap
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Persamaan untuk generator berbeban (Gambar 2.24) :
Pada generator berbeban : IL = Ia sehingga : Ea = VΦ + IL(Ra + jXS ) …………. (2.38) cnΦ = VΦ + ILZS cnIf = VΦ + ILZS If = cn Z I cn V L S − φ ………..…. (2.39)
karena nilai c, n, VΦ, dan Zs konstan, maka : cn = k1 VΦ = k2 Zs = k3 sehingga diperoleh : If = IL k k k k 1 3 1 2 − ………..…. (2.40) jika, 4 1 2 k k k = 5 1 3 k k k = maka, If = k4 – k5IL……….……. (2.41)
Gambar 2.27 berikut menunjukkan karakteristik pengaturan generator sinkron φ
