BAB II
GENERATOR SINKRON
2.1 Umum
Generator sinkron merupakan mesin listrik arus bolak balik yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik arus bolak-balik. Energi mekanik diperoleh dari penggerak mula (prime mover) yang terkopel dengan rotor generator, sedangkan energi listrik diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang melibatkan kumparan rotor dan kumparan stator. Mesin listrik arus bolak-balik ini disebut sinkron karena rotor berputar secara sinkron atau berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan magnet putar.
2.2 Konstruksi Generator Sinkron
Generator sinkron mempunyai dua komponen utama yaitu stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Bentuk gambaran sederhana konstruksigenerator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 konstruksi sederhana generator sinkron
Pada stator, terdapat beberapa komponen utama, yaitu: Rangka stator
Rangka luar yang biasanya terbuat dari baja berfungsi untuk menyokong struktur stator dan mempunyai kaki-kaki yang dipasang pada bagian fondasi. Rangka stator ini dibuat kokoh untuk mengatasi perubahan beban secara tiba-tiba atau hubung singkat tiga fasa.
Inti stator
Slot
Slot merupakan tempat untuk meletakkan kumparan stator yang dibentuk dengan sistem berbuku - buku.
Kumparan stator
Kumparan stator merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi pada generator dan didesain untuk menghasilkan kutub-kutub elektromagnetik stator yang sinkron dengan kutub magnet rotor.
Sedangkan pada bagian rotor terdapat tiga bagian utama, yaitu: Collector ring atau slip ring
Collector ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor, tetapi
dipisahkan oleh isolasi tertentu. Bagian ini merupakan bagian yang terhubung dengan sumber arus searah yang untuk selanjutnya dialirkan menuju kumparan rotor.
Kumparan rotor
Kumparan rotor merupakan bagian yang dialiri arus searah sebagai sumber medan magnet melalui sistem eksitasi tertentu.
Poros
2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Secara umum, Prinsip kerja generator sinkron sebagai berikut:
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks.
2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya. 3. Perputaran rotor akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
Dimana: f = frekuensi listrik (Hz) n = kecepatan putar rotor (rpm) p = jumlah kutub magnet P/2 = jumlah pasang kutub
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputardengan kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang mengalir melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus
jangkar Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian dikenal sebagai reaksi jangkar. Model reaksi jangkar tampak pada Gambar 2.3.
Pengaruh yang ditimbulkan oleh fluksi jangkar dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung kepada beban dan faktor daya beban, yaitu :
a. Untuk beban resistif (cosφ = 1 )
Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas mendistorsinya saja tanpa mempengaruhi kekuatannya (cross magnetising).
b. Untuk beban induktif murni (cosφ = 0 lag)
Arus akan tertinggal sebesar dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan demagnetising artinya pengaruh raksi jangkar akan melemahkan fluksi arus medan.
c. Untuk beban kapasitif murni (cosφ = 0 lead)
d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagian magnetising dan sebagian demagnetising. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan
sebagian distortif dan sebagian magnetising. Sementara itu saat beban adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian demagnetising. Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.
Gambar 2.3. Model Reaksi Jangkar
Keterangan gambar :
a) Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi b) Tegangan resultan menghasilkan arus lagging saat generator berbeban
induktif
d) Vektor penjumlahan dan yang menghasilkan dan penjumlahan dan menghasilkan VΦ pada outputnya.
2.5 Generator Sinkron Tanpa Beban
Dengan memutar generator sinkron pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
E0= c.n.Φ
Dimana : c = konstanta mesin n = putaran sinkron
Φ = fluks yang dihasilkan oleh If
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga E0 seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.
Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan output juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh) seperti diperlihatkan pada gambar 2.4 berikut.
(a) (b)
Gambar 2.4 (a) Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban
Persamaan umum generator tanpa beban adalah : E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Dimana: Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt) VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm) Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)
2.6 Generator Sinkron Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah – ubah maka besarnya tegangan terminal Vt akan berubah – ubah pula. Hal ini disebabkan adanya :
• Jatuh tegangan karena resistansi jangkar (Ra)
• Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (XL)
• Jatuh tegangan karena reaksi Jangkar
Gambar rangkaian dan karakteristik generator sinkron berbeban diperlihatkan pada gambar 2.5 berikut ini.
(b) (b)
Gambar 2.5 (a) Kurva Karakteristik Generator Berbeban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Berbeban
Persamaan tegangan pada generator berbeban adalah: Ea = VΦ + IaRa + j IaXs
Xs = XL + Xa
Dimana: Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt) VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm) Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm) XL = reaktansi bocor per phasa (ohm)
Xa = reaktansi reaksi jangkar per phasa (ohm)
2.7 Generator Sinkron Tiga Phasa Beban Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan seimbang adalah suatu keadaan dimana :
1. Ketiga vektor arus dan tegangan sama besar
2. Ketiga vektor saling membentuk sudut satu sama lain.
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung Y dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 2.6. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung Y Beserta
Diagram Fasornya
Pada keadaan seimbang, impedansi beban pada masing-masing fasanya adalah sama besar, sehingga dapat dituliskan seperti Persamaan 2.6 berikut :
̃ ̃ ̃
Dalam hubungan Y, arus line sama dengan arus fasa, hal tersebut dapat ditentukan dengan Persamaan 2.7, Persamaan 2.8 dan Persamaan 2.9 berikut :
⃑ ⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
⃑ ⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
⃑ ⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
Rangkaian beban tiga fasa seimbang terhubung delta (∆) dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Sistem Beban Tiga Fasa Seimbang Terhubung ∆Beserta
Diagram Fasornya
Dalam hubungan ∆ , arus fasa dapat ditentukan dengan Persamaan 2.10, Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12 berikut :
⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
... 2.6
... 2.7
... 2.8
... 2.9
⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
Sedangkan untuk arus linenya dapat ditentukan dengan menerapkan hukum Kirchoff seperti tampak pada Persamaan 2.13, Persamaan 2.14 dan Persamaan 2.15 berikut :
⃑ ⃑ ⃑ ⃑ ⃑
⃑ ⃑ ⃑ ⃑ ⃑
⃑ ⃑ ⃑ ⃑ ⃑
2.8 Generator Sinkron Tiga Phasa Beban Tidak Seimbang
Yang dimaksud dengan keadaan yang tidak seimbang adalah keadaan dimana salah satu atau kedua syarat keadaan seimbang tidak dipenuhi. Kemungkinan keadaan tidak seimbang ada tiga yaitu :
Gambar 2.8 : (a) Menunjukkan vektor diagram arus dalam keadaan seimbang. Di sini terlihat bahwa penjumlahan ketiga vektor arusnya (IR, IS , IT) adalah sama dengan nol sehingga tidak muncul arus netral (I). Sedangkan pada,
Penyelesaian beban tidak seimbang untuk hubungan delta dapat disamakan dengan keadaan seimbang. Sedangkan untuk hubungan bintang, penyelesaiannya adalah sebagai berikut :
Pada sistem 3 fasa – 4 kawat, masing – masing fasa akan mengalirkan arus yang tidak seimbang menuju netral. Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat, akan menghasilkan tegangan pada beban yang berubah cukup signifikan dan memunculkan suatu netral yang berbeda dari netral yang semestinya.
Gambar 2.9. Beban Tiga Fasa Tidak Seimbang Terhubung Bintang Pada
Sistem Tiga Fasa - Empat Kawat dan Sistem Tiga Fasa - Tiga Kawat
Berdasarkan Gambar 2.9 diatas, pada sistem tiga fasa - empat kawat berlaku persamaan-persamaan seperti Persamaan 2.13, Persamaan 2.14, Persamaan 2.15 dan Persamaan 2.16 berikut :
⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
⃑ ⃑⃑⃑ ⃑
⃑ ⃑ ⃑ ⃑
... 2.13
... 2.14
... 2.15
Sedangkan pada sistem tiga fasa – tiga kawat, rangkaian tersebut dapat diselesaikan dengan persamaan loop berikut ini :
Loop 1 : (⃑⃑⃑ ⃑⃑⃑ )⃑ ⃑⃑⃑ ⃑ ⃑⃑⃑
Loop 2 : ⃑ ⃑ ( ⃑ ⃑ ) ⃑ ⃑⃑
Dari Persamaan 2.17 dan Persamaan 2.18 dapat dicari fasor dan , kemudian arus line dapat dicari dengan Persamaan 2.19, Persamaan 2.20 dan Persamaan 2.21 berikut ini :
⃑ ⃑
⃑ ⃑ ⃑
⃑ ⃑
Sedangkan tegangan pada setiap impedansi beban dapat ditulis seperti pada Persamaan 2.22, Persamaan 2.23 dan Persamaan 2.24 berikut ini :
⃑⃑ ⃑ ⃑
⃑⃑ ⃑ ⃑
⃑⃑ ⃑ ⃑
Dalam penulisan ini, rugi-rugi tembaga kumparan jangkar pada kondisi tidak seimbang dianalisa dengan metode komponen simetris. Oleh karena itu, diperlukan uraian mengenai metode komponen simetris.
2.9 Rating Temperatur dan Metode Pengukuran Temperatur Generator
Sinkron
National Electrical Manufacturing Association (NEMA) mendefinisikan temperature rise adalah kenaikan temperatur diatas temperature ambient. Temperature ambient yaitu temperatur udara disekeliling motor atau dapat
dikatakan sebagai suhu ruangan. Penjumlahan dari temperature rise dan temperature ambient adalah panas keseluruhan panas pada motor. Kelas isolasi
temperature pada Generator sinkron dijelaskan oleh tabel berikut :
Tabel 2.1 Temperature rise for large motors with 1.0 sevice factor
No Motor Rating
Faktor penyebab rusaknya isolasi winding adalah panas yang berlebih pada motor. Panas berlebih yang berlangsung lama pada lilitan akan menyebabkan stress pada lilitan dan isolasi kawat menjadi rapuh. Jika dibiarkan terlalu lama akan menyebabkan isolasi pada lilitan akan retak. Jika gejala ini disertai dengan munculnya partial discharge maka proses penuaan isolasi akan semakin cepat. Berdasarkan penelitian NEMA usia dari isolasi winding akan berkurang setengahnya setiap kenaikan 100C dari kondisi normal kerja motor. Akan tetapi jika generator harus beroperasi 400C di atas temperature normal maka umur isolasinya menjadi 1/16 dari umur normal yang diperkirakan. Oleh sebab itu mesin-mesin listrik yang digunakan pada dunia industri menggunakan alat proteksi untuk mengatasi panas lebih pada motor seperti thermal overload relay. Sehingga apabila terjadi overheating pada motor relai akan segera bekerja
Berikut ini adalah metode dalam menentukan temperatur generator sinkron [4] yaitu :
a. Menggunakan thermocouple
Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan termokopel, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian terpanas dari mesin yang dapat diakses .
b. Mengunakan Embedded Detector
Metode ini adalah penentuan suhu dengan termokopel atau resistensi detektor suhu yang diletakkan ke dalam mesin sesuai dengan ANSI C50.10-1977 atau NEMA MG1-1978
c. Mengukur Tahanan Lilitan motor
Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan tahanan lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan dengan tahanan yang sudah diketahui temperaturnya. Temperature tahanan yang ingin ditentukan dapat dihitung dengan persamaaan :
( )
Dimana : Tt : Temperatur total lilitan (oC)
Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oC) Rt : Tahanan pada saat motor panas (ohm) Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm) K : 234.5 ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oC)
225 ( konstanta untuk bahan aluminium ) (oC)
d. Menggunakan Pendeteksi Temperatur Lokal
Dengan pendeteksi temperature lokal berbagai panas bagian mesin dapat ditentukan dengan menggunakan detektor ini. Detektor ini ditempatkan di dekat bagian dimana suhu lokal akan diukur . Contoh detektor suhu local, sensor inframerah, termokopel, termometer resistensi kecil, dan termistor. Detector ini sering dipasang sebagai bagian permanen dari mesin.
2.10 Thermometer Infrared
- PRINSIP KERJA
Termometer inframerah mengukur permukaan temperatur dari benda (target). Optik dari termometer mendeteksi energi inframerah yang telah dikumpulkan dan difokuskan pada detrektor dan diterjemahkan ke dalam bentuk informasi suhu yang dapat dibaca di display (interface). Laser disini hanya digunakan untuk membidisk target yang akan diukur.
- AKURASI
Termometer inframerah ditandai dengan spesifikasi termasuk akurasi dan
cakupan sudut. Instrumen sederhana mungkin memiliki kesalahan pengukuran
sekitar ± 2 ° C / ± 4 ° F).
- Kelebihan Termometer Infra merah
1. Non-kontak pengukuran temperatur tidak berpengaruh pada objek yang diukur.
2. cepat respon dan pergerakan benda dapat diukur dan suhu transien. 3. keakuratan pengukuran, resolusi tinggi kecil.
5. suhu pengukuran wilayah kecil.
6. bisa menjadi titik waktu yang sama, garis, suhu permukaan. 7. dapat diukur suhu mutlak, kelembaban relatif dapat diukur.
- kelemahan Termometer Infra merah
1. Paparan terhadap pengaruh temperatur pada suhu objek yang diukur. 2. Tidak cocok untuk mengukur suhu transien.
3. Tidak mudah untuk mengukur benda bergerak.
4. Rentang pengukuran tidak cukup luas, dan perlengkapan.
