Pengantar Generator Sinkron: Frekuensi, Kecepatan, dan Model

GENERATOR SINKRON

Frekuensi Listrik dan Kecepatan Putaran

•

Setiap pasang kutub rotor menghasilkan satu periode tegangan

a a’

b

b’ c

c’

a a’

b

b’ c

c’

U S S

U

a a’

b

b’ c

c’

a a’

b

b’ c

c’

U

S

V(t)

ωst 4 p 2 p

1 kali putaran 1/2 kali putaran

MODEL GENERATOR SINKRON

i_f

+_ Lf

R_F

i_1d v_1d=0

R_1d

i_1q v_1q=0

L_1d

L_1q

R_1q

Laa Lbb

L_cc

R_a R_b

R_c

v_a v_b

v_c

i_a

i_b

i_c vf

Sumbu langsung

Sumbu kuadratur Sumbu

pedoman

q

a a’

b

b’ c

c’

D F

D^F’’ _Q

Q’

d

Kondisi Tanpa Beban

E

I_f

 

^{I f}

f CN E







 E : emf/ggl (tegangan yang dibangkitkan) N : kecepatan putaran generator (rpm) C : konstanta generator

 : fluks yang dihasilkan oleh arus eksitasi

E V

_t



Tegangan terminal tanpa beban :

KONDISI BERBEBAN

■ Arus stator (arus beban) juga menghasilkan fluks

■ Penjumlahan fluks tersebut menghasilkan fluks yang berputar disekeliling stator dengan

frekuensi sama dengan frekuensi sinkron.

Medan magnet yang dihasilkan stator berputar

dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan

putar rotor (sinkron)

Reaksi Jangkar

•

Gandengan fluks rotor (fluks utama) dengan fluks yang dihasilkan stator, bisa semakin kuat atau semakin lemah. Pengaruh fluks yang dihasilkan stator terhadap fluks utama dikenal dengan REAKSI

JANGKAR

•

Jika beban bersifat induktif, reaksi jangkar akan memperlemah fluks utama sehingga tegangan terminal akan turun.

•

Jika beban bersifat kapasitif maka reaksi jangkar akan memperkuat

fluks utama dan tegangan terminal akan naik.

Reaksi Jangkar

(Pengaruh Beban Induktif)

_f : Fluks arus eksitasi/fluks rotor E_f : Tegangan akibat fluks rotor I_a : Arus stator/beban

_ar : Fluks akibat arus beban (reaksi jangkar)

_r : Resultan fluks

E_r : Tegangan oleh fluks resultan (tegangan terminal)

E_ar : Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar q : Sudut beban (lagging)

beban induktif Bagaimana cara menaikkan tegangan terminal ?

Tambah arus eksitasi

Reaksi Jangkar

(Pengaruh Beban Kapasitif)

Bagaimana cara menurunkan tegangan terminal ? Kurangi arus eksitasi

_f : Fluks arus eksitasi/fluks rotor E_f : Tegangan akibat fluks rotor I_a : Arus stator/beban

_ar : Fluks akibat arus beban (reaksi jangkar)

_r : Resultan fluks

E_r : Tegangan oleh fluks resultan (tegangan terminal)

E_ar : Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar q : Sudut beban (leading)

beban kapasitif

RANGKAIAN EKIVALEN GENERATOR

E : tegangan yang dibangkitkan (tegangan terminal tanpa beban) I_a : arus jangkar/ arus beban

X_s : reaktansi sinkron (jumlah reaktansi X_ar + X_l) X_ar : reaktansi akibat reaksi jangkar

X_l : reaktansi akibat kebocoran fluks pada jangkar R_a : resistansi kumparan jangkar

E Beban

Xar Xl

Xs Ra

Vt

Ia



^{s a}



t

E I jX R

V   

Vt

I_a

Beban kapasitif (faktor daya

leading) Beban induktif

(faktor daya lagging)

I_f : tetap

PENGASUTAN

Pengasutan generator :

• Berikan arus eksitasi awal yang nilainya relatif kecil.

• Atur penggerak mula sampai kecepatan putaran generator manghasilkan frekuensi nominal

• Atur arus eksitasi hingga dicapai tegangan nominal

OPERASI PARALEL

• Sinkronisasi : penyamaan urutan fasa, frekuensi, & magnitude tegangan

• Penggerak mula dan exitasi generator diatur hingga nilainya sama/mendekati nilai frekuensi dan tegangan sistem.

R S T

ωt

ωt

U V W

ωt

R S T

ωt

•

Setelah proses sinkronisasi selesai, langkah berikutnya adalah mengatur aliran daya.

•

Daya aktif diatur melalui penggerak mula. Sedangkan daya reaktif diatur melalui arus eksitasi

•

Dalam pengaturan tersebut harus diperhatikan agar operasi

generator tetap berada dalam batas-batas kapabilitasnya

GENERATOR TERHUBUNG KE BUS INFINITE

Jika tegangan tempat terminal generator dihubungkan dianggap

tetap (infinite), maka perubahan arus eksitasi berpengaruh

kepada aliran daya reaktif antara generator dan sistem.

I_aX_s

Vt

E

Ia IaRa

d

Arus eksitasi gbr atas < arus eksitasi gbr bawah

I_aX_s

Vt

E I_a

I_aR_a q d

I_aX_s V_t

E

I_a

I_aR_a q

d

S=VI* Daya P tetap, daya Q berubah

Q negatif : menyerap daya reaktif dari sistem

Q positif : memberikan daya reaktif ke sistem

KAPABILITAS GENERATOR

Kemampuan generator dalam mensuplai daya dibatasi oleh :

■ Arus stator (arus beban)

■ Arus rotor (arus exitasi)

■ Kestabilan : arus eksitasi generator harus cukup dan tidak

boleh terlalu kecil agar generator tidak kehilangan kestabilan.

Sumbu langsung

Sumbu kuadratur Sumbu

pedoman

q

a a’

b

b’ c

c’

D F

D^F’’ _Q Q’

d

Penguatan Wajar

• Arus eksitasi yang dibutuhkan untuk tegangan terminal dan daya tertentu dikatakan wajar jika memenuhi :

IaXs

Vt

E

I_a

I_aR_a q

d

V

t

E cos( d ) 

q d





  Z

V

I E ^t

Sumbu langsung

Sumbu kuadratur Sumbu

pedoman

q

a a’

b

b’ c

c’

D F

D^F’’ _Q Q’

d

) X sin(

V x P E

S

t d



jQ P

I V

S  _t ^*  

o t

X

V I E

90



 d

2

sin ¹ 2 ₂ 

 









t S

V P X d

CONTOH 2.1

• Reaktansi peralihan (X”) suatu generator 18 kV 500 MVA adalah 0,162  . Nyatakan impedansi tersebut dalam pu dengan dasar rating generator.

• Jika daya VA yang diberikan generator 0,6 pu, faktor daya 0,8 lagging, pada tegangan terminal 0,9 pu, hitung

– Tegangan terminal dalam Volt

– berapa ampere arus yang keluar dari terminal stator.

– Daya P dalam pu

– Daya Q dalam pu

PERUBAHAN DASAR

• Jika nilai pu suatu peralatan dinyatakan berdasarkan ratingnya kemudian peralatan tersebut akan

dihubungkan ke sistem dengan dasar yang berbeda dengan rating peralatan, maka nilai pu peralatan

harus disesuaikan berdasarkan dasar yang digunakan untuk sistem.

lama dasar

daya

baru dasar

x daya baru

dasar tegangan

lama dasar

tegangan Z

Z

2 (pu)

lama (pu)

baru





 



 

CONTOH 2.2

Langkah-langkah untuk menyatakan nilai pu pada

suatu sistem tenaga:

• Tentukan daya dasar. Daya dasar memiliki nilai yang sama untuk seluruh bagian sistem

• Tentukan tegangan dasar pada salah satu bagian sistem.

• Hitung tegangan dasar pada bagian sistem yang lain berdasarkan perbandingan tegangan trafo.

• Hitung nilai pu impedansi setiap bagian sistem

berdasarkan daya dasar dan tegangan dasar pada bagian sistem tersebut.

Catatan : impedansi pu trafo 3 fasa yang dibuat dari

tiga buah trafo 1 fasa sama dengan impedansi pu

trafo 1 fasanya

LAMPIRAN 1

PERUBAHAN DAYA BEBAN

• Penambahan daya aktif beban menyebabkan arus stator meningkat.

• Arus stator meningkat sehingga torsi yang melawan putaran generator juga bertambah. Jika daya mekanik generator tetap maka

kecepatan/frekuensi, & tegangan akan turun. Permintaan beban < suplai generator.

• Untuk mengembalikan frekuensi kenilai nominalnya, daya mekanik harus ditingkatkan.

R P V

2

 

^If 

f CN E







 f

T P

p







 2

Mekanis Listrik

Generator

N V Penggerak

Mula

P f

Tm Te I

P

Generator

N V Penggerak

Mula

P f

Tm Te I

1/2P 1/2P

Generator

N V Penggerak

Mula

2P f

Tm Te I

P P

• Tegangan generator juga turun akibat bertambahnya jatuh tegangan pada impedansi generator.

• Jika kemudian arus eksitasi diatur untuk menaikkan tegangan, maka frekuensi akan turun. Hal ini karena peningkatan tegangan menyebabkan peningkatan daya aktif beban.

• Jadi setelah melakukan pengaturan tegangan,

penggerak mula harus diatur kembali agar frekuensi kembali ke frekuensi nominal.

R P V

2

  I

^f

 f

CN E









E Beban

Xs Ra

Vt

I_a

PERUBAHAN DAYA REAKTIF BEBAN (Q)

• Jika daya reaktif (Q) beban bertambah, tegangan generator akan turun akibat jatuh tegangan pada impedansi generator.

• Penurunan tegangan menyebabkan daya aktif beban berkurang sehingga frekuensi akan naik.

• Penurunan tegangan tersebut jika ditinjau dari fluks, terjadi karena arus induktif yang mengalir menghasilkan fluks yang melawan fluks utama sehingga fluks total akan berkurang.

• Untuk mengembalikan tegangan kenilai nominalnya, arus eksitasi perlu ditambah. Frekuensi juga akan kembali kenilai nominalnya.

R P V

2

  P   T 2  p f  E   f CN   I 

^{f E Beban}

X_s R_a

V_t I_a

LAMPIRAN 2 : PENGUATAN WAJAR DAN PENGARUH KUTUB TONJOL

• Arus eksitasi yang dibutuhkan untuk tegangan terminal dan daya tertentu dikatakan wajar jika memenuhi :

• Nilai d tergantung dari aliran daya aktif (P):

Jadi :

 

) sin(

) X cos(

P V

) X sin(

V cos

P V

S t

S t t

d d



d d



2

) X sin(

V x P E

S

t

d



2 2 2 2

2 1

2

 

 





 d

d





t S S

t

V P sin X

) X sin(

P V

IaXs

Vt

E

Ia

IaRa

q

d

V

t

E cos( d ) 

PENGARUH KUTUB TONJOL (SALIENT)

• Pada rotor silinder, kerapatan fluks pada celah udara tidak dipengaruhi oleh posisi rotor. Sedangkan pada rotor kutub tonjol, kerapatan fluks pada celah udara dipengaruhi oleh posisi rotor.

• Pada rotor salient, reaktansi dibagi menjadi reaktansi sumbu langsung dan reaktansi quadratur.

Selengkapanya dibahas pada mata kuliah mesin listrik