Generator Sinkron
Generator sinkron mempunyai medan magnet DC stasioner atau berputar.
Generator sinkron medan stasioner memiliki tampilan luar yang sama dengan generator DC. Kutub yang menonjol menciptakan medan DC, yang dipotong oleh jangkar berputar. Jangkar memiliki belitan 3-fase yang terminalnya dihubungkan ke tiga slip-ring yang terpasang pada poros. Satu set sikat, meluncur pada slip-ring, memungkinkan jangkar dihubungkan ke beban 3 fase eksternal.
Jangkar digerakkan oleh motor bakar atau sumber tenaga penggerak lainnya. Saat
berputar, tegangan 3 fase diinduksikan, yang nilai tergantung pada kecepatan rotasi
dan arus eksitasi DC di kutub stasioner. Frekuensi tegangan tergantung pada
kecepatan dan jumlah kutub di medan. Generator medan stasioner digunakan ketika
daya keluaran kurang dari 5 kVA. Namun, untuk daya keluaran yang lebih besar,
lebih murah, aman, dan praktis menggunakan medan DC yang berputar.
Generator sinkron medan berputar memiliki jangkar stasioner yang
disebut stator. Belitan stator 3 fasa terhubung langsung ke beban, tanpa
melalui slip-ring dan sikat. Sebuah stator stasioner juga membuat lebih
mudah untuk mengisolasi belitan karena tidak mengalami gaya
sentrifugal. Gambar 1 adalah diagram skematik dari generator semacam
itu, terkadang disebut alternator. Medan tersebut dieksitasi oleh generator
DC, biasanya dipasang pada poros yang sama. Sikat-sikat pada komutator
harus dihubungkan ke sikat-sikat lain yang dipasang pada slip-ring untuk
mengumpankan arus DC ke medan putar.
Jumlah kutub
Jumlah kutub pada generator sinkron bergantung pada kecepatan putaran dan frekuensi yang ingin dihasilkan. Misalnya, sebuah konduktor stator yang berturut-turut disapu oleh kutub N dan S dari rotor. Jika tegangan positif diinduksi ketika kutub N menyapu konduktor, tegangan negatif serupa diinduksi ketika kutub S melaju. Jadi, setiap kali sepasang kutub melintasi konduktor, tegangan induksi melewati siklus lengkap. Hal yang sama berlaku untuk setiap konduktor lainnya pada stator; karena itu dapat disimpulkan bahwa frekuensi alternator diberikan oleh
di mana
f = frekuensi tegangan induksi [Hz]
p = jumlah kutub pada rotor n = kecepatan rotor [rpm]
Contoh Soal
Turbin hidrolik berputar pada 200 rpm terhubung ke generator sinkron. Jika tegangan induksi memiliki frekuensi 50 Hz, berapa kutub yang dimiliki rotor ?
p
= = 30 kutub
30 kutub ini sama dengan 15 pasang kutub N dan S
Penyelesaian
Gambar 1
Diagram skematis dan tampilan penampang dari tipikal generator sinkron 500 MW dan eksiter DC 2400 kW-nya.
Arus eksitasi DC (6000 A) mengalir melalui komutator dan dua slip-ring. Arus kontrol DC dari pilot exciter memungkinkan kontrol medan variabel dari exciter utama, yang, pada gilirannya, mengontrol .
Fitur utama stator
Stator generator sinkron identik dengan stator motor induksi 3 fasa. Ini terdiri dari inti laminasi silinder yang berisi satu set slot yang membawa belitan yang dililit 3 fase.
Belitan selalu terhubung dengan wye dan netral terhubung ke ground. Koneksi wye lebih disukai daripada koneksi delta karena
1. Tegangan per fasa hanya atau 58% dari tegangan antar saluran. Ini berarti bahwa tegangan tertinggi antara konduktor stator dan inti stator yang ditanahkan hanya 58% dari tegangan saluran. Oleh karena itu kita dapat mengurangi jumlah isolasi pada slot sehingga memungkinkan untuk meningkatkan penampang konduktor. Konduktor yang lebih besar meningkatkan arus dan daya keluaran mesin.
2. Ketika generator sinkron dibebani, tegangan yang diinduksi pada setiap fasa menjadi terdistorsi, dan bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal. Distorsi terutama disebabkan oleh tegangan harmonik ketiga yang tidak diinginkan yang frekuensinya tiga kali lipat dari frekuensi dasar (fundamental). Dengan koneksi wye, harmonik saluran-ke-netral yang terdistorsi tidak muncul di antara saluran karena secara efektif membatalkan satu sama lain. Akibatnya, tegangan saluran tetap sinusoidal pada semua kondisi beban.
Namun, ketika koneksi delta digunakan, tegangan harmonik tidak dibatalkan, tetapi dijumlahkan. Karena delta tertutup dengan sendirinya, mereka menghasilkan arus sirkulasi harmonik ketiga, yang meningkatkan kerugian IR.
Tegangan saluran nominal generator sinkron tergantung pada peringkat kVA-nya. Secara umum, semakin besar kapasitas daya generator, semakin tinggi tegangannya.
Namun, tegangan saluran ke saluran nominal jarang melebihi 25 kV karena isolasi slot yang meningkat menghabiskan ruang berharga dengan mengorbankan konduktor tembaga.
Gambar 2a
Stator generator 3 fasa, 500 MVA, faktor daya 0,95, 15 kV, 60 Hz, 200 rpm. Diameter dalam: 9250 mm; panjang aksial efektif susunan besi: 2350 mm; 378 slot.
(Courtesy of Marine Industrie)
Gambar 2b
Batang tembaga yang menghubungkan kutub stator berturut-turut dirancang untuk mengalirkan arus 3200 A. Output totalnya adalah 19.250 A per fase.
(Courtesy of Marine Industrie)
Gambar 2c
Stator dibangun dari segmen bergerigi dari laminasi baja silikon-besi berkualitas tinggi (tebal 0,5 mm), ditutupi dengan pernis isolasi. Slotnya memiliki lebar 22,3 mm dan kedalaman 169 mm. Kutub yang menonjol dari rotor terdiri dari laminasi besi yang lebih tebal (2 mm). Laminasi ini tidak diisolasi karena fluks DC yang dibawanya tidak bervariasi. Lebar tiang dari ujung ke ujung 600 mm dan panjang celah udara 33 mm. 8 lubang bundar di muka tiang yang menonjol membawa jeruji belitan sangkar tupai.
Gambar 3
Stator generator turbin uap 3 fase, 722 MVA, 3600 rpm, 19 kV, 60 Hz selama fase konstruksi. Belitan berpendingin air.
(Courtesy of ABB)
Fitur utama rotor
Generator sinkron dibangun dengan dua jenis rotor:
1. Kutub menonjol 2. Silinder halus.
Rotor kutub menonjol biasanya digerakkan oleh turbin hidrolik
kecepatan rendah, dan rotor silinder digerakkan oleh turbin uap
kecepatan tinggi.
1. Rotor kutub menon jol
Sebagian besar turbin hidrolik harus berputar pada kecepatan rendah (antara 50 dan
300 rpm) untuk mengekstrak daya maksimum dari air terjun. Karena rotor
terhubung langsung ke kincir air, dan karena diperlukan frekuensi 50 Hz atau 60 Hz,
sejumlah besar kutub diperlukan pada rotor. Rotor kecepatan rendah selalu memiliki
diameter besar untuk menyediakan ruang yang diperlukan untuk kutub. Kutub-kutub
yang menonjol dipasang pada kerangka baja bundar besar yang dipasang pada
poros vertikal yang berputar. Untuk memastikan pendinginan yang baik, kumparan
medan terbuat dari batang tembaga telanjang, dengan belokan diisolasi satu sama
lain dengan strip mika. Kumparan dihubungkan secara seri, dengan kutub yang
berdekatan memiliki polaritas yang berlawanan.
Selain belitan medan DC, sering ditambahkan belitan sangkar-tupai, yang
tertanam di permukaan kutub. Dalam kondisi normal, belitan ini tidak membawa
arus karena rotor berputar pada kecepatan sinkron. Namun, ketika beban pada
generator tiba-tiba berubah, kecepatan rotor mulai berfluktuasi, menghasilkan
variasi kecepatan sesaat di atas dan di bawah kecepatan sinkron. Ini menginduksi
tegangan pada belitan sangkar-tupai, menyebabkan besar arus mengalir di
dalamnya. Arus bereaksi dengan medan magnet stator, menghasilkan gaya yang
meredam osilasi rotor. Untuk alasan ini, belitan sangkar tupai terkadang disebut
belitan peredam (damper). Belitan peredam juga cenderung mempertahankan
tegangan 3 fase yang seimbang antara saluran, bahkan ketika arus saluran tidak
sama karena kondisi beban yang tidak seimbang.
Gambar 4
Rotor 36 kutub ini diturunkan ke stator. Arus eksitasi 2400 A DC disuplai oleh penyearah elektronik 330 V. Rincian lainnya adalah: massa: 600 t; momen inersia: 41 40 t m 2; celah udara: 33 mm.
(Courtesy of Marine Industrie)
Gambar 5
Salient-pole dari generator 250 MVA menunjukkan 12 slot untuk membawa belitan sangkar tupai.
Gambar 6 a
Rotor generator turbin uap 3 fase dengan daya 1530 MVA, 1500 rpm, 27 kV, 50 Hz. 40 slot memanjang sedang digiling dari massa baja padat. Mereka akan membawa belitan DC. Panjang magnet aksial efektif: 7490 mm; diameter: 1800 mm.
(Courtesy of Allis-Chalmers Power Systems Inc., West Mis, Wisconsin)
Gambar 6 b
Rotor dengan belitan DC 4 kutubnya. Massa total: 204 t; momen inersia: 85 t-m2;
celah udara: 120 mm. Arus eksitasi DC sebesar 1 1 ,2 kA disuplai oleh eksiter tanpa sikat 600 V DC yang dibaut ke ujung poros utama.
(Courtesy of Allis-Chalmers Power Systems Inc., West Allis, Wisconsin)
2. Rotor silinder.
Turbin uap kecepatan tinggi lebih kecil dan lebih efisien daripada turbin kecepatan rendah. Hal yang sama berlaku untuk generator sinkron berkecepatan tinggi. Namun, untuk menghasilkan frekuensi yang diperlukan, kita tidak dapat menggunakan kutub yang kurang dari 2 kutub. Pada sistem 60 Hz adalah 3600 rpm untuk 2 kutub dan 1800 rpm untuk 4 kutub. Akibatnya, generator turbin uap ini memiliki 2 atau 4 kutub.
Rotor generator dari sebuah turbin panjang, silinder baja padat yang berisi serangkaian slot longitudinal yang digiling dari massa silinder. Kumparan medan konsentris, terjepit dengan kuat ke dalam slot dan ditahan oleh cincin ujung berkekuatan tinggi, berfungsi untuk membuat kutub N dan S.
Kecepatan putaran yang tinggi menghasilkan gaya sentrifugal yang kuat, yang memaksakan batas atas pada diameter rotor. Dalam kasus putaran rotor pada 3600 rpm, batas elastis baja mengharuskan pabrikan untuk membatasi diameter maksimum 1,2 m. Sebaliknya, untuk membangun generator berdaya 1000 MVA hingga 1500 MVA, volume rotor harus besar. Oleh karena itu, rotor berkecepatan tinggi dan berkekuatan tinggi harus sangat panjang.
Eksitasi Medan dan Eksiter
Eksitasi medan DC dari generator sinkron besar adalah bagian penting dari desain keseluruhannya. Alasannya, medan harus memastikan tidak hanya tegangan terminal AC yang stabil, tetapi juga harus merespon perubahan beban secara tiba-tiba untuk menjaga stabilitas sistem. Kecepatan respons adalah salah satu fitur penting dari medan eksitasi. Untuk mencapai itu, dua generator dc digunakan: eksiter utama dan eksiter pilot. Eksiter statis yang tidak melibatkan bagian yang berputar, juga digunakan.
Eksiter utama mencatu arus eksitasi (penguat) ke medan generator sinkron
melalui sikat dan slip-ring. Dalam kondisi normal tegangan eksiter berkisar
antara 125 V dan 600 V. Ini diatur secara manual atau otomatis oleh sinyal
kontrol yang mengubah-ubah arus , diproduksi oleh eksiter pilot.
Rating daya eksiter (penguat) utama tergantung pada kapasitas generator sinkron.
Biasanya, eksiter 25 kW diperlukan untuk membangkitkan alternator 1000 kVA (2,5% dari ratingnya) sedangkan exciter 2500 kW cukup untuk alternator 500 MW (hanya 0,5% dari ratingnya).
Dalam kondisi normal eksitasi bervariasi secara otomatis. Ini merespons perubahan beban untuk mempertahankan tegangan saluran AC konstan atau untuk mengontrol daya reaktif yang dikirim ke sistem utilitas listrik. Gangguan serius pada sistem dapat menghasilkan penurunan tegangan secara tiba-tiba di terminal alternator. Eksiter kemudian harus bereaksi dengan sangat cepat agar tegangan AC tidak turun. Misalnya, tegangan eksiter mungkin harus naik dua kali nilai normalnya hanya dalam waktu 300 sampai 400 milidetik. Ini merupakan respon yang sangat cepat, mengingat kekuatan eksiter mungkin beberapa ribu kilowatt.
Eksitasi tanpa sikat
Karena keausan sikat dan debu karbon, kita harus terus-menerus membersihkan, memperbaiki, dan mengganti sikat, cincin slip, dan komutator pada sistem eksitasi DC konvensional. Untuk mengatasi masalah tersebut, sistem eksitasi tanpa sikat telah dikembangkan. Sistem seperti itu terdiri dari generator medan stasioner 3 fasa yang output AC-nya diperbaiki oleh sekelompok penyearah. Keluaran DC dari penyearah dicatu langsung ke medan generator sinkron.
Jangkar dari eksiter AC dan rectifier (penyearah) dipasang pada poros utama dan berputar
bersamaan dengan generator sinkron. Dalam membandingkan sistem eksitasi Gambar 7 dengan
Gambar 1, kita dapat melihat keduanya identik, kecuali penyearah 3 fasa menggantikan
komutator, slip ring, dan sikat. Komutator (yang sebenarnya merupakan penyearah mekanis)
digantikan oleh penyearah elektronik. Hasilnya sikat dan slip-ring tidak lagi diperlukan.
Arus kendali DC dari eksiter pilot mengatur output eksiter utama Is seperti pada kasus eksiter DC konvensional. Frekuensi pembangkit utama umumnya dua sampai tiga kali frekuensi generator sinkron (60 Hz). Peningkatan frekuensi diperoleh dengan menggunakan lebih banyak kutub pada eksiter daripada pada generator sinkron. Gambar 8 menunjukkan bagian berputar dari tipikal eksiter tanpa sikat. Eksiter statis yang tidak melibatkan bagian yang berputar sama sekali juga digunakan.
Gambar 7
Tipikal sistem eksiter tanpa sikat
Gambar 8
Eksiter tanpa sikat ini menyediakan arus DC untuk rotor yang ditunjukkan pada Gambar 7. Eksiter terdiri dari generator 7000 kVA dan dua set dioda. Setiap set, masing-masing sesuai dengan terminal positif dan negatif, ditempatkan di cincin melingkar yang terpasang pada poros, seperti yang terlihat di tengah foto. Eksiter AC terlihat di sebelah kanan.
Dua konduktor bundar yang menonjol dari pusat poros (latar depan) mengarahkan arus eksitasi ke generator 1530 MVA.
(Courtesy of Allis-Chalmers Power Systems Inc., West Allis, Wisconsin)
Reaktansi Sinkron - Rangkaian Ekuivalen Generator AC
Pertimbangkan generator sinkron 3 fase yang memiliki terminal A, B, C yang mencatu beban 3 fase yang seimbang . Generator digerakkan oleh turbin, dan dieksitasi oleh arus DC, .
Gambar 9
Generator dihubungkan ke sebuah beban
Mesin dan beban keduanya terhubung secara wye, menghasilkan rangkaian Gambar 16.15. Meskipun netral N1 dan N2 tidak terhubung, keduanya memiliki potensial yang sama karena bebannya seimbang. Akibatnya, kita dapat menghubungkannya bersama-sama (seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus pendek) tanpa mempengaruhi perilaku tegangan atau arus dalam rangkaian.
Gambar 10
Rangkaian listrik yang merepresentasikan instalasi pada dari Gambar 9.
Medan membawa arus eksitasi yang menghasilkan fluks . Saat medan berputar, fluks menginduksi stator tiga tegangan yang sama yang berbeda 120 ° untuk setiap fasenya.
Gambar 11
Tegangan dan impedansi dalam sebuah generator 3 fase dan beban yang terhubung kepadanya
Setiap fasa belitan stator memiliki resistansi R dan induktansi tertentu L. Karena ini adalah sebuah mesin arus bolak-balik, induktansi memanifestasikan dirinya sebagai reaktansi diberikan oleh:
Dimana:
= reaktansi sinkron perfase = frekuensi generator
= induktansi dari belitan stator perfase
Nilai 10 sampai 100 kali lebih besar dari .
Generator sinkron dapat diwakili oleh rangkaian ekuivalen yang tersusun oleh tegangan induksi seri dengan reaktansi (resitansi belitan diabaikan).
Dalam rangkaian ini arus eksitasi menghasilkan fluks yang menginduksi tegangan internal .
dan adalah tegangan saluran ke netral dan I adalah arus saluran.
Gambar 12
Rangkaian ekivalen dari sebuah generator 3 fase, ditunjukkan oleh satu fase saja.
Menentukan nilai
Nilai ditentukan melalui uji rangkaian terbuka dan uji hubung singkat.
Selama uji rangkaian terbuka, generator digerakkan pada kecepatan nominal dan arus eksitasi dinaikkan hingga tegangan saluran ke saluran nominal tercapai. Arus eksitasi dan tegangan saluran ke netral yang bersesuaian dicatat.
Eksitasi kemudian dikurangi menjadi nol dan tiga terminal stator dihubung singkat bersama.
Dengan generator kembali berjalan pada kecepatan nominal, arus eksitasi secara bertahap dinaikkan ke nilai awalnya .
Arus hubung singkat yang dihasilkan di belitan stator diukur dan dihitung dengan menggunakan persamaan
di mana
= reaktansi sinkron, per fasa
= tegangan saluran-ke-netral rangkaian terbuka nominal
= arus hubung singkat per fasa, menggunakan arus eksitasi yang sama yang diperlukan untuk menghasilkan .
Reaktansi sinkron tidak konstan, tetapi bervariasi dengan derajat kejenuhan.
Ketika besi sangat jenuh, nilai mungkin hanya setengah dari nilai tak jenuhnya.
Meskipun rentang yang luas ini biasanya diambil nilai tak jenuh untuk karena
menghasilkan akurasi yang cukup dalam banyak kasus.
Generator sinkron kondisi berbeban
Karakter dari sebuah generator tergantung tipe beban yang harus disuplainya.
Terdapat 2 jenis beban;
1. Beban terisolasi, yang disuplai oleh sebuah generator 2. Bus tak terhingga
Menghubungkan sebuah generator pada sebuah sistem tenaga yang besar (bus tak terhingga) yang telah mempunyai banyak alternator terhubung kepadanya.
Gambar 13
Rangkaian ekivalen dari sebuah generator dalam kondisi berbeban
