• Tidak ada hasil yang ditemukan

Studi Perbandingan Beban Linear Dan Nonlinear Terhadap Kinerja Generator Sinkron Tiga Phasa

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Membagikan "Studi Perbandingan Beban Linear Dan Nonlinear Terhadap Kinerja Generator Sinkron Tiga Phasa"

Copied!
40
0
0

Teks penuh

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Generator Sinkron

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]

(2)

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]

2.1.1 Kontruksi 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.

(3)

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

(4)

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).

(5)

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

(6)

 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:

(7)

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:

(8)

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)

(9)

2.1.2 Metode 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.

(10)

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 menggunakan generator arus searah.

Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus Searah

b. Sistem Eksitasi Statis

(11)

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 2.8 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

(12)

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 2.9 berikut:

(13)

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 untuk penguatannya diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri. Gambar 2.10 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat.

(14)

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. 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 2.11 dapat dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator.

(15)

Gambar 2.11 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator

2.1.3 Prinsi 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. 3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang

(16)
(17)

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]

(18)

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)

(19)

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:

(20)

2.1.5 Rangkaian 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 2.14.

Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron

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:

(21)

Gambar 2.15 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron

(22)

2.1.6 Jenis Beban

Adapun jenis beban yang dilayani generator terbagi dua jenis, yaitu :

a. Beban 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

Gambar 2.17 Bentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban linear

Adapun pengaruh dari beban linear terhadap generator sinkron yaitu :

(23)

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]

Gambar 2.18 Bentuk gelombang harmonisa pada beban lampu hemat energi.

(24)

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.

(25)

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 Karakteristik dan Penentuan Parameter-parameter Generator Sinkron Tiga Phasa

2.2.1 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

(26)

Gambar 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 =

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)

(27)

2.2.2 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

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.

Gambar 2.20 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 :

(28)

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

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.

Gambar 2.21 Karakteristik Hubung Singkat

Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :

(29)

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 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron 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

(30)

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 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)………….(2.26)

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 :

(31)

VΦ = cnΦ – ILZs………..….. (2.29)

2.2.5 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) :

Ea = VΦ + Ia ( Ra + jXS )………..(2.34)

(32)
(33)

2.2.6 Faktor Daya

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, VtVt00 .

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

(34)

Gambar 2.23 Diagram Phasor Generator Sinkron.

(a) Berbeban Resistif, (b) Berbeban Induktif, (c) Berbeban Kapasitif

2.2.7 Regulasi Tegangan Generatos Sinkron Dengan Metode Impedansi Sinkron

(35)

- 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) .

(36)

- 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

S

I

A

2 ...(2.40)

Untuk beban Induktif dari Gambar 3.3b diperoleh :

E

A

V

X

S

I

A

sin

2

X

s

I

A

cos

2 ...(2.41)

Untuk beban Kapasitif dari Gambar 3.3c diperoleh :

E

A

V

X

S

I

A

sin

2

X

s

I

A

cos

2 ...(2.42)

Maka regulasi tegangan adalah :

% regulasi tegangan 0 x100% V

V E 

(37)

Gambar 2.25 Diagram Phasor Generator Sinkron Untuk Menggambarkan Regulasi

Tegangan, (a) Beban Resistif, (b) Beban Induktif, (c) Beban Kapasitif

2.3 Rugi-rugi Generator Sinkron

(38)

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].

(39)

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 Efisiensi Generator Sinkron

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

(40)

Gambar 2.26 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 +

Prugi

Pout = daya keluaran

Gambar

Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron Secara Umum
Gambar 2.2 Rotor Generator Sinkron
Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron
Gambar 2.4 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron
+7

Referensi

Dokumen terkait

Dari data yang ada maka dapat dihitung daya keluaran generator sinkron 3 phasa dengan rotor silinder, dengan mengetahui rugi – rugi yang dihasilkan dari generator tersebut. Rugi

Gambar 4.3 Grafik temperatur generator sinkron tiga phasa beban resistif tidak seimbang menggunakan thermometer infrared

Apabila rotor generator diputar pada kecepatan nominalnya, dimana putaran tersebut diperoleh dari putaran penggerak mulanya (prime mover), kemudian pada kumparan medan rotor

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

Karena motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting) maka rotor diputar dengan suatu penggerak mula sampai pada kecepatan putar rotor sama dengan kecepatan

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 yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan.. menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang

Apabila rotor generator diputar pada kecepatan nominalnya, dimana putaran tersebut diperoleh dari putaran penggerak mulanya ( prime mover ), kemudian pada kumparan medan