BAB 2 DASAR TEORI
2.1 Umum
Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator sinkron (altenator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik diperoleh dari proses dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya.
Generator sinkron dengan defenisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor.
Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak – balik 1 fasa b. Generator arus bolak – balik 3 fasa
Sebelum membahas tentang generator sinkron, terlebih dahulu kita mengetahui tentang generator listrik. Generator listrik adalah suatu mesin listrik dimana dalam proses kerjanya melakukan pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik. Generator listrik dan motor listrik mempunyai kesamaan, yaitu sama-sama memanfaatkan induksi listrik yang terjadi di dalam kedua perangkat/sistem. Akan tetapi fungsi dari kedua sistem tersebut berbeda, dimana motor listrik melakukan konversi energi listrik menjadi mekanik.
2.2 Defenisi Generator Sinkron
Generator sinkron merupakan salah satu jenis generator listrik dimana terjadi proses pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik, (sama seperti generator listrik) yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang memotong suatu medan elektromagnetik yang dihasilkan di stator sehingga kemudian menyebabkan timbulnya energi listrik. Induksi elektromagnetik yang terjadi dalam generator merupakan bentuk aplikasi nyata dari Hukum Faraday yang menyatakan:
1. “Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari sebuah medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul
tegangan induksi”.
2. “Perubahan flux magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar,
Sedangkan jika dijabarkan dengan persamaan matematisnya, persamaannya
e : tegangan induksi elektromagnetik (GGL induksi)
N : jumlah lilitan Hukum Lenz yang mengatakan:
“Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan
dengan sumber perubahan fluks magnetik“.
2.3 Konstruksi Generator Sinkron
Stator
Stator (armature) adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui stator. Komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak.
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 jangkar. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah terbuka, dan tertutup. Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti
4. Kumparan Stator ( Kumparan Jangkar)
Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan bagian dimana timbulnya ggl induksi.
Rotor
Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu:
a. Slip Ring
Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasang ke slip ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.
b. Kumparan Rotor (Kumparan Medan)
Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu.
c. Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap poros rotor.
Pada generator sinkron terdapat 2 (dua) jenis tipe rotor yaitu : rotor kutub menonjol dan rotor kutub tak menonjol ( cylindrical rotors). Rotor kutub menonjol biasanya dihubungkan dengan turbin hydrolic putaran rendah sedangkan rotor kutub tak menonjol biasanya dihubungkan pada turbin putaran tinggi.
1. Rotor kutub menonjol (Salient pole rotors)
Gambar 2.3 Rotor kutub menonjol (sileant poles)
Rotor kutub menonjol pada umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120 – 400 rpm). Generator seperti ini biasanya dikopel dengan mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan pada putaran rendah dan sedang karena :
• Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
• Konstruksi rotor kutub menonjol akan mengalami rugi – rugi yang besar dan menimbulkan polusi suara jika diputar dengan kecepatan tinggi. 2. Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Gambar 2.4 Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
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 dengan 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 di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih baik rotor kutub menonjol.
2.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Apabila generator sinkron melayani beban, ,maka pada kumparan jangkar mengalir arus, dan arus ini menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangar yang ditimbulkan arus (ф�) akan berinteraksi dengan yang dihasilkan kumparan medan rotor (ф ), sehingga menghasilkan fluks resultan (ф )
ф =ф +ф� (2.2)
Adanya interaksi ini dikenal sebagai reaksi jagkar.
Kondisi reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban adalah sebagai berikut :
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Jenis beban : Tahanan (resistif).
.
Gambar 2.5 Reaksi Jangkar terhadap beban
Terlihat bahwa reaksi jangkar pada alternator bergantung pada jenis beban yang dilayani,, dengan perkataan lain bergantung pada sudut fasa antara arus jangkar (I) dan tegangan induksi (GGL).
(c). Beban Kapasitif Murni
Arus jangkar (I) terdahulu 90 dari GGL (E). Jenis beban : Kapasitif murni
ф� memperkuat ф , terjadi pengaruh pemagnetan.
(d). Beban induktif Murni
Arus jangkar (I) terbelakang 90 dari GGL (E). Jenis beban : Induktif murni
2.5 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Generator dapat menghasilkan energi listrik karena adanya pergerakan relatif antara medan magnet homogen terhadap kumparan jangkar pada generator (magnet yang bergerak dan kumparan jangkar diam, atau sebaliknya magnet diam sedangkan jangar bergerak). Jadi, jika kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet homogen maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut medan magnet homogen ini bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau magnet tetap.
Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut :
1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap. 2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera
dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
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
Sehingga didapat persamaan :
(2.5)
Dimana :
� = ggl induksi (volt) n = Putaran (rpm)
N = jumlah lilitan f = Frekuensi (Hz)
C = Konstanta ф = Fluks magnet (Wb)
p = Jumlah kutub
Untuk generator sinkron tiga fasa, 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.
2.6 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitan-belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu Belitan-belitan konduktor akan mengandung tahanan (R) dan induktansi (L), maka belitan stator akan mengandung tahanan stator (Ra) dan induktansi sendiri (Lf). Akibat adanya pengaruh reaktansi reaksi jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti gambar berikut:
.
Dengan melihat Gambar 2.6 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator sinkron sebagai berikut :
(2.6) Dan dengan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis
(2.7)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau = � + � dapat dilihat pada Gambar 2.7 maka persamaan menjadi :
Gambar 2.6 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron
�� = + � ��+ ���+ ���
( (2.8) Dimana :
= Tegangan eksitasi (volt)
= Tahanan Belitan (Ohm)
� = Induktansi Belitan Medan (Henry)
� = Tahanan Variabel (Ohm)
�� = Ggl yang dibangkitkan generator sinkron (Volt)
= Tegangan terminal generator sinkron (Volt)
� = Reaktansi armatur (ohm) X = Reaktansi bocor (ohm)
= Reaktansi sinkron (ohm) �� = Arus Jangkar (Ampere)
= ��− ��− ���
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor.
2.7 Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron
Cara menentukan pengaturan tegangan untuk mesin – mesin kecil dapat diperoleh dengan cara langsung, yaitu generator sinkron diputar pada kecepatan nominal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal (V) pada beban penuh, kemudian beban dilepas dengan menjaga agar putaran tetap konstan. Selain itu, arus eksitasi juga harus dijaga konstan. Maka, akan diperoleh harga tegangan pada beban nol (E0) sehingga regulasi tegangan dapat dihitung.
Untuk mesin – mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali tidak dilakukan. Hal ini disebabkan oleh rating KVA yang sangat tinggi. Terdapat beberapa metode tidak langsung yang hanya memerlukan sejumlah kecil daya jika dibandingkan dengan daya yang diperlukan pada metode langsung. Beberapa metode tersebut antara lain:
a. Metode impedansi sinkron (EMF) b. Metode ampere lilit (MMF) c. Metode Potier (zero power factor)
d. Metode New ASA (American Standard Association)
Dimana untuk setiap metode tersebut diperlukan data – data sebagai berikut :
1. Tahanan Jangkar
Tahanan jangkar Ra per phasa ditentukan dengan menggunakan metode pengukuran langsung dan bernilai searah (DC). Harga tahanan jangkar efektif (AC) lebih besar daripada nilai DC ini karena adanya skin effect. Untuk memperoleh nilai efektifnya, nilai hasil pengukuran (nilai DC) biasanya dikalikan faktor kali :
� = , (2.9)
2. Karakteristik beban nol atau open circuit characteristic (OCC).
Sama seperti kurva magnetisasi pada suatu mesin DC, karakteristik beban nol dari suatu generator sinkron adalah kurva antara tegangan terminal jangkar (tegangan phasa – phasa) pada keadaan hubungan terbuka dan arus medan ketika generator sinkron (alternator) bekerja pada kecepatan nominal.
Karakteristik hubung singkat (SCC) ditentukan dengan cara terminal – terminal armatur dihubung singkat melalui amperemeter dan arus medan (If) dinaikkan secara bertahap dari nol hingga diperoleh arus hubung singkat (ISC) bernilai hampir dua kali arus nominal. Selama test ini kecepatan yang mungkin bukan kecepatan sinkron harus dijaga konstan. Untuk metode Portier faktor daya adalah nol.
Tidak diperlukan pembacaan lebih dari sekali karena SCC merupakan suatu garis lurus yang melewati titik awal. Hal ini disebabkan karena tahanan jangkar Ra lebih kecil daripada reaktansi sinkron (Xs), arus hubung singkat (ISC) tertinggal hampir sebesar 90º terhadap tegangan terinduksi Vf. Akibatnya, fluks armatur (Φa) dan fluks medan (Φf ) berlawanan arah sehingga fluks resultan (ΦR) bernilai kecil. Karena (ΦR) bernilai kecil, pengaruh saturasi akan diabaikan dan arus hubung
singkat (ISC) berbanding lurus dengan arus medan melebihi batas (range) dari nol sampai melampaui arus nominal.
2.8 Efek Perubahan Beban Pada Generator yang Beroperasi Sendiri
dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan terminal pada saat awal.
Gambar 9 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah a. Beban Induktif
b. Beban Resistif
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan, maka tegangan terminal cenderung membesar.
Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea, karena Ea=K. фω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai fluksi
tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubah-ubah. Selain besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai dengan faktor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal generator yang stabil.
Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri:
1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban.
2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya yang dihasilkan.
2.9 Karakteristik dan Penentuan Parameter – Parameter Generator Sinkron Tiga Fasa
Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : ��= �� �� 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 baban yang terhubung pada terminal.
c) Arus medan (��) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap. d) Catat harga tegangan terminal ( ) pada setiap harga arus medan (��)
Dari gambar dapat diperoleh persamaan umum generator :
(2.10) Pada hubungan generator terbuka (beban nol), ��= 0. Maka :
(2.11) Karena tidak ada beban yang terpasang, maka ф yang dihasilkan ф . Sehingga:
(2.12) (2.13) Gambar 2.10 Rangkaian Test Tanpa Beban
�� = ф+ �� �+
�� = ф = � ф
Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi :
(2.14) Dimana : �� = Tegangan beban nol (Volt)
� = Arus medan (Ampere) k = konstanta
Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan VΦ vs If yang disebut juga dengan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open - Circuit Characteristic).
Dari Gambar 11 di atas terlihat bahwa pada awalnya kur va 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.
�� = �
Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat : ��� = ���(��)
Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang dihubungkan singkat tersebut beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain:
a) Generator diputar pada kecepatan nominal b) Atur arus medan (��) pada nol
c) Hubung singkat terminal.
d) Ukur arus armatur (��) pada setiap peningkatan arus medan (��)
Dimana rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar 11 berikut :
Dari gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah sama dengan Persamaan 2.10
(2.19) (2.20)
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 13 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik hubung singkat pada generator sinkron.
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
(2.21)
Dari kedua test tersebut di atas diperoleh : - Ea dari test beban nol (Open Circuit) - Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)
Diperoleh impedansi sinkron : = √ �+ = � ��
Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : ZS ≈ XS ≈ � ��
Dimana : � = Tegangan beban nol (volt) �� = Arus Jangkar (ampere)
�� = Arus hubung singkat (Ampere) �� = . �
Gambar 2.13 Karakterisik Hubung Singkat
� = Tahanan jangkar (Ohm) = Impedansi sinkron (ohm)
Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Berbeban V = V(If) 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).
Dari gambar 13 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban : (2.22) (2.23)
Karakteristik Luar Generator Sinkron : �ф = f (��)
Karakteristik ini memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus beban (�� terhadap tegangan terminal generator sinkron ( ф). 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).
�� = ф+ �� �+
ф= ��− �� �+
c) Faktor daya (Cos θ) tetap.
Dari gambar rangkaian generator sinkron berbeban yang telah diperlihatkan pada Gambar 14 sebelumnya, diperoleh persamaan seperti Persamaan 2.22 dan Persamaan 2.23.
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang mengalir pada beban atau :
(2.24) Nilai Zs tetap, sehingga :
(2.29) Jika arus beban (��) = 0 (beban nol), maka :
(2.30) Jika tegangan terminal ( ф) = 0 (hubung singkat), maka :
(2.31)
Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)
a) Tegangan terminal ф dijaga konstan. b) Putaran tetap.
c) Faktor daya (Cos θ) tetap.
Persamaan untuk generator berbeban sama dengan persamaan 2.22 dan arus pada beban sama dengan persamaan 2.23 sehingga didapat persamaan :
(2.32)
(2.33) Karena c,n, ф, dan konstan maka :
Sehingga diperoleh :
(2. 34)
ф= ��+ �� �+
ф = ф+ ��
� = ф+ ��
� = − ф ��
=
ф =
=
