STUDI PENGARUH ARUS EKSITASI PADA GENERATOR SINKRON YANG BEKERJA PARALEL TERHADAP PERUBAHAN FAKTOR DAYA

Transkripsi

1 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril STUDI PENGRUH RUS EKSITSI PD GENERTOR SINKRON YNG BEKERJ PRLEL TERHDP PERUBHN FKTOR DY Basofi, Ir.Syamsul mien, M.S Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. lmamater, Kampus USU Medan INDONESI bas_off@yahoo.com sarana_uc@yahoo.com bstrak Generator sinkron (alternator) merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis menjadi energi listrik. Jika generator sinkron dibebani maka akan memberikan sifat yang berbeda sesuai dengan jenis beban yang dipikulnya. Sehingga dalam pembebanan ini akan menentukan nilai faktor daya pada generator tersebut. Faktor daya mempunyai pengertian sebagai besaran yang menunjukkan seberapa efisien mesin yang dimiliki dalam menyalurkan daya yang bisa dimanfaatkan. Oleh sebab itu, dengan diaturnya arus eksitasi pada generator yang bekerja paralel maka akan mengatur daya reaktif yang dibutuhkan pada generator tersebut sehingga dapat menentukan perubahan faktor daya pada masing-masing generator. Dalam penelitian ini dilakukan pengaturan arus eksitasi pada masing-masing generator sehingga didapat bahwa pada beban R-L bila arus eksitasi pada generator pertama dikurangi dan yang lain diperbesar maka memiliki daya reaktif -0,002 dengan faktor daya 0,998 leading sedangkan generator kedua memiliki daya reaktif 0,173 dengan faktor daya 0,64 ging. Kemudian pada saat arus eksitasi diatur pada salah satu generator maka akan memiliki batas pengaturan agar tidak terjadi lepas sinkron yakni memiliki batas pengurangan sebesar 0,10 dan penambahan 0,30. Kata kunci : Generator sinkron yang bekerja paralel, faktor daya dan arus eksitasi. 1. Pendahuluan Generator Sinkron atau disebut juga alternator merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik melalui proses induksi elektomagnetik. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Generator tiga fasa diharapkan dapat bekerja stabil pada tegangan dan frekuensi yang dihasilkan sehingga dapat mensuplai tenaga listrik. Ketidakstabilan pada generator sinkron ini sangat berpengaruh terhadap beban yang di pikul generator sinkron tersebut. Untuk melayani beban listrik yang berkembang dan pada saat terjadi beban maksimum, maka biasanya dilakukan pengoperasian alternator secara paralel [1]. Sebab jika hanya menggunakan satu alternator saja, alternator tersebut harus mempunyai kapasitas terpasang yang mampu melayani beban-beban maksimum. Hal ini tentu mengurangi efisiensi pada alternator tersebut. Dalam sistem memparalelkan alternator ini, dapat digunakan untuk mengatur perubahan faktor daya generator tersebut dengan syarat mengatur arus eksitasi pada masing-masing alternator yang di paralelkan. Dimana arus eksitasi ini merupakan pemberian arus listrik pada kutub magnetik pada generator. Dengan mengatur besar kecilnya arus listrik tersebut kita dapat mengatur besar tegangan output generator atau dapat juga mengatur besar daya reaktif yang diinginkan pada generator yang sedang paralel dengan sistem jaringan besar (Infinite bus) [2]. Maka dalam penelitian ini dibahas tentang pengaruh arus eksitasi tersebut pada generator sinkron yang bekerja paralel terhadap perubahan faktor daya. 2. Pengaruh rus Eksitasi pada Generator Sinkron yang Bekerja Paralel Terhadap Perubahan Faktor Daya Bila suatu generator bekerja dan mendapatkan pembebanan yang melebihi dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak dapat bekerja atau bahkan akan mengalami kerusakan. Sehingga dalam hal ini dapat diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara paralel dengan copyright DTE FT USU 8

2 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril generator utama yang telah bekerja sebelumnya pada satu jaringan listrik yang sama. dapun syarat yang harus dipenuhi dalam melakukan penyinkronan alternator ini ialah : 1. Tegangan kedua alternator harus sama. 2. Frekuensi kedua alternator harus sama. 3. Mempunyai urutan dan sudut fasa yang sama. Dua alternator identik terhubung secara paralel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1 Rangkaian ekuivalen generator paralel yang berbeban [6] I B V I 1 I 2 E 1 E 2 2 (1) (2) pabila generator dihubungkan dengan sistem jaringan yang kapasitasnnya besar (infinite bus), maka dengan mengatur putaran (n) dan arus eksitasi (If) maka tidak akan mempengaruhi frekuensi sitem jaringan tersebut. Pada kondisi tersebut pengaturan putaran adalah hanya mengatur pembebanan daya aktif sedangkan pengaturan arus eksitasi hanya mengatur aliran daya reaktif atau faktor daya generator tersebut. Untuk menyuplai beban yang ada pada kedua generator yang bekerja paralel, maka jumlah daya aktif dan reaktif yang disuplai generator tersebut harus sama dengan daya aktif dan reaktif yang ada pada beban. dapun rumus daya aktif dan reaktif yang harus disuplai oleh kedua generator adalah P Q Load P Q P G1 G2 Q (3) Load G1 G2 (4) Jika alternator beroperasi secara paralel, dimana dengan diaturnya arus eksitasi sedangkan nilai putaran (n) tetap, maka akan mengakibatkan kenaikan nilai dari fluks magnetik (φ) seiring dengan perubahan arus eksitasi. sehingga mengubah daya reaktif yang dibutuhkan namun besar daya aktifnya tidak akan berubah sehingga akan merubah nilai faktor daya. Dalam hal ini dapat diperjelas pada rumus berikut: E Cn (5) Jika generator G 1 dan G 2 bekerja paralel maka masing-masing alternator akan memasok beban setengah dari daya aktif dan setengah dari daya reaktif. Masing-masing alternator memasok arus sebesar I, sehingga arus beban yang di pasok sebesar 2I. Bila arus eksitasi G 1 dinaikkan maka besarnya E 1 akan lebih dari besaran awalnya sehingga Ē 1 > Ē 2. Hal ini akan menyebabkan resultan tegangan Ē r = Ē 1 - Ē 2 yang akan terlihat di sirkuit lokal dan mengakibatkan mengalirnya arus sirkulasi. E1 E2 Is (6) Z1 Z2 rus I s ini akan mempengaruhi arus beban pada G 1 dan G 2 secara vektoris. Berikut ini adalah gambar segitiga daya akibat perubahan arus eksitasi pada alternator yang bekerja secara paralel dapat dilihat pada Gambar 2. a) Kondisi 1 b) Kondisi 2 Gambar 2 Segitiga daya alternator yang terhubung pararel akibat efek pengubahan penguatan [2] copyright DTE FT USU 9

3 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril Pada kondisi 1, beban yang di pikul G 1 dan G 2 sama besarnya, sehingga beban daya aktif dan daya reaktif di bagi rata memberikan segitiga daya aktif yang sama tetapi jika penguatan G 1 dinaikkan, dan arus penguatan G 2 turunkan maka akan merubah pembagian daya reaktif pada masing-masing alternator sehingga berpengaruh terhadap faktor daya pada masing-masing alternator. Namun perubahan pemuatan KW dua alternator diabaikan. Hal ini dapat di lihat pada kondisi 2. Jika generator dengan arus eksitasi diperbesar (over excited), berarti mencatu arus tertinggal ke sistem (ging), yang berarti generator menarik arus mendahului dari sistem atau istilahnya mengirim daya reaktif ke sistem. Demikian pula jika arus eksitasi dikurangi (under excited) maka generator dinyatakan mencatu arus mendahului sistem (leading) atau dinyatakan menarik arus tertinggal dari sistem atau istilahnya menarik daya reaktif dari sistem. Hal tersebut dapat dilihat pada diagram rumah (house diagram) daya reaktif pada Gambar 3 dan Gambar 4. Pengaruh perubahan eksitasi pada kinerja alternator dapat dijelaskan dengan bantuan diagram fasor yang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5 Diagram fasor akibat efek pengubahan penguatan [5] Gambar 3 Diagram rumah jika arus eksitasi dinaikkan [7] Pada Gambar 5 dapat dilihat jika dua alternator bekerja secara paralel, Jika arus eksitasi G 1 meningkat sehingga ggl induksi yang E 1 meningkat menjadi E 1 ' yang akan mencoba untuk meningkatkan tegangan terminal V. Tapi tegangan terminal V dapat dijaga konstan dengan mengurangi arus eksitasi G 2. Peningkatan E 1 dan E 2 penurunan disesuaikan sedemikian rupa bahwa E sin θ tetap konstan. Perbedaan antara E' 1 dan E' 2 menimbulkan arus sirkulasi I SY. rus ini harus ditambahkan ke I 1 dan dikurangi dari I 2 yang akan memberikan arus jangkar baru I' 1 dan I' Metodologi Penelitian Gambar 4 Diagram rumah jika arus eksitasi diturunkan [7] Pada tahap ini, metode yang dilakukan ialah metode pengukuran. Dimana metode pengukuran dilakukan di Laboratorium P4TK (Pusat Pengembangan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan) Medan. Metode ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh pengaturan arus eksitasi terhadap perubahan copyright DTE FT USU 10

4 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril faktor daya pada generator sinkron yang bekerja paralel dengan menggunakan beban tertentu. Untuk mengetahui pengaruhnya, maka dilakukan terlebih dahulu paralel generator dengan dihubungkan pada beban tertentu, kemudian diatur arus eksitasi masing-masing generator dimana arus eksitasi generator pertama dinaikkan dan generator kedua diturunkan, begitu juga sebaliknya. Sehingga akan diketahui pengaruh pengaturan arus eksitasi pada generator sinkron yang bekerja paralel terhadap perubahan faktor daya pada masing-masing generator. Langkah-langkah penelitian yang dilkukan sebagai berikut: 1. Percobaan dengan menggunakan beban resistif induktif (R-L) a) Beban R = 220 Ω / 250 W b) Beban L = 0,4 H / 1,2 2. Percobaan dengan menggunakan beban resistif kapasitif (R-C) a) Beban R = 220 Ω / 250 W dan 680 Ω / 100 W b) Beban C = 3µF / 460 V Rangkaian paralel generator dapat dilihat pada Gambar 6. a. Metode pengambilan data berupa metode pengukuran. b. Mempersiapkan semua peralatan untuk dapat dilakukannya memparalelkan generator c. Tahap pengukuran dilakukan dengan arus eksitasi generator pertama dinaikkan dan generator kedua diturunkan, begitu juga sebaliknya. d. Hasil dari pengukuran akan didapat perubahan faktor daya pada masing-masing generator dan pembagian daya reaktif pada masing-masing generator. Peralatan-peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Motor sebagai generator sinkron 3 fasa 1 kw sebanyak 2 buah 2. Motor DC sebagai penggerak mula sebanyak 2 buah 3. Power Supply DC, V sebanyak 4 buah. 4. Voltmeter C, V sebanyak 4 buah. 5. mperemeter C, 0 10 sebanyak 3 buah. 6. mperemeter DC, 0 10 sebanyak 2 buah. 7. Cos φ meter sebanyak 2 buah. 8. Lampu sinkronisasi. 9. Saklar 6 buah 10. Dekoder (Sebagai beban generator). 11. Kotak sambung secukupnya. Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh pengaturan arus eksitasi dalam menentukan nilai faktor daya pada generator sinkron maka dilakukan beberapa percobaan, yaitu: Gambar 6 Rangkaian Paralel Generator 4. Hasil dan nalisis Percobaan pengaruh arus eksitasi pada generator sinkron yang bekerja paralel ini dilakukan pada tanggal gustus 2013 di Laboratorium P4TK (Pusat Pengembangan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan) Medan dimana dilakukan percobaan pengaturan arus eksitasi pada generator yang bekerja sendiri dan yang bekerja paralel dengan menggunakan beban R-L dan beban R-C Dalam percobaan pengaturan arus eksitasi pada generator yang bekerja sendiri diperoleh data yang terdapat pada Tabel 1 dan Tabel 2. copyright DTE FT USU 11

5 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril Tabel 1 Data perubahan arus eksitasi pada generator yang bekerja sendiri dengan beban R-L IF N I G V Cosθ Tabel 3 Pengaturan arus eksitasi generator paralel dengan menggunakan beban R-L N 1 N 2 IF 1 IF 2 I G1 I G2 Cosθ 1 Cos ,42 92 V 0, , V 0, , ,230 0,998 0,64 0, V 0,86 0,155 0,210 0,98 0, , V 0, ,91 0, , V 0,86 0,175 0,175 0,86 0, V 0, ,170 0,85 0,89 Tabel 2 Data perubahan arus eksitasi pada generatoryang bekerja sendiri dengan beban R-C IF N I G V Cosθ , , ,79 0,78 0,93 0, ,52 55 V 0, ,47 70 V 0,155 0,42 90 V 0, , V 0,155 Dari Tabel 3 bahwa pada arus eksitasi pada masing-masing generator sama, menyatakan keadaan awal penyinkronan. Tabel 4 Data hasil percobaan pengaturan arus eksitasi generator paralel dengan menggunakan beban R-L IF 1 IF 2 Cosθ 1 Cosθ 2 KVar 1 KVar 2 I SY V BUS , V 0,155 0,998 0,64-0,002 0,173-1, V , V 0,155 19,18 j 0,98 0,72 0,034 0, V Pada Tabel 1 dan Tabel 2 dapat dilihat bahwa pengaturan arus pada generator yang bekerja sendiri dapat mengatur tegangan. Jika arus eksitasi diperkecil maka tegangan akan semakin kecil, namun bila diperbesar arus eksitasi maka tegangan generator akan meningkat. Dalam percobaan pengaturan arus eksitasi pada generator yang bekerja paralel dengan menggunakan beban R-L diperoleh data yang terdapat pada Tabel 3. 0,91 0,86 0,85 0,79 0,81 0,86 0,89 0,93 12,13 j 0,066 0,105-0, V 4,24 j 0,085 0, V 0,097 0,074 0, V 1,58 j 0,115 0,056 0, V 6,22 j copyright DTE FT USU 12

6 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril 0,78 0,94 0,123 0,048 0,099 6,82 j 143V Tabel 5 Data hasil percobaan pengaturan arus eksitasi pada salah satu generator paralel dengan menggunakan beban R-L Dari hasil yang diperoleh pada Tabel 4, maka dapat dilihat pengaruh perubahan arus eksitasi terhadap faktor daya dan daya reaktif pada masing-masing generator, dimana jika arus ekisitasi pada generator pertama diperbesar dan generator kedua diperkecil maka faktor daya pada generator pertama akan menjauhi nilai 1 dengan faktor daya ging dengan memiliki daya reaktif lebih besar dari generator kedua dan sebaliknya. Dari data hasil yang diperoleh pada Tabel 4, maka dapat diplot dalam bentuk kurva yang dapat dilihat pada Gambar 7. N1 N2 IF1 IF2 IG1 IG2 Cosθ1 Cosθ2 VBUS ,10 0,02 0,414 0,90 0,78 110V ,12 0,06 0,380 0,95 0,79 128V ,112 0,302 0,99 0,81 131V Laed ,253 0,98 0,83 135V ,170 0,212 0,92 0,84 140V 0,175 0,175 0,86 0,86 144V Perubahan Faktor Daya (Cos θ) Cos θ VS IF ,215 0,172 0,83 0, ,80 0,312 0,10 0,74 0,91 0,97 0,89 150V 156V 162V Perubahan rus Eksitasi (mpere) Cosθ1 Cosθ ,28 0,368 0,05 0,69 0,82 169V Gambar 7 Kurva perbadingan Cosθ VS IF beban R-C ,30 0,412 0,022 0,60 0,75 189V Pada Gambar 7 menunjukkan kurva pada perubahan arus eksitasi generator pertama dimana jika arus eksitasi diperbesar maka Cosθ generator pertama akan semakin rendah dan Cosθ generator kedua akan meningkat begitu juga sebaliknya. Kemudian akan diatur arus eksitasi pada salah satu generator sehingga data diperoleh pada Tabel 5. Dari Tabel 5 dapat dilihat bahwa batas pengaturan arus eksitasi pada salah satu generator agar tidak terjadi lepas sinkron ialah pada saat mencapai nilai pengurangan 0,10 dan penambahan 0,30. Dalam percobaan pengaturan arus eksitasi pada generator yang bekerja paralel dengan menggunakan beban R-C diperoleh data yang terdapat pada Tabel 6. copyright DTE FT USU 13

7 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril Tabel 6 Pengaturan arus eksitasi generator paralel dengan menggunakan beban R-C 0,48 0,08 0,061 0,348 0,43 27,84 j 112,3 V N 1 N 2 IF 1 IF 2 I G1 I G2 Cosθ 1 Cosθ 2 0,31 0,27 0,21 0,12 0,07 0,11 0,15 0,21 0,30 0,47 0,11 0,13 0, ,29 0,48 0,28 0,199 0,155 0,12 0,10 0,08 Dari Tabel 6 bahwa pada arus eksitasi pada masing-masing generator sama, menyatakan keadaan awal penyinkronan. Tabel 7 Data hasil percobaan pengaturan arus eksitasi generator paralel dengan menggunakan beban R-L IF 1 IF 2 Cosθ 1 Cosθ 2 KVar 1 KVar 2 I SY V BUS Dari hasil yang diperoleh pada Tabel 7, maka dapat dilihat pengaruh perubahan arus eksitasi terhadap faktor daya dan daya reaktif pada masing-masing generator, dimana jika arus ekisitasi pada generator pertama diperbesar dan generator kedua diperkecil maka faktor daya pada generator pertama akan mendekati nilai 1 dengan faktor daya leading dengan memiliki daya reaktif lebih sedikit dari generator kedua dan sebaliknya. Dari data hasil yang diperoleh pada Tabel 7, maka dapat diplot dalam bentuk kurva yang dapat dilihat pada Gambar 8. Perubahan Faktor Daya (Cosθ ) Cos θ VS IF Perubahan rus Eksitasi Pada Generator Pertama (mpere) Cosθ1 Cosθ Gambar 8 Kurva perbadingan Cosθ VS IF beban R-C 0,11 0,13 0,28 0,199 0,30 0,11-0, ,66 j 0,15-0, ,76 j 112,3 V 111 V Pada Gambar 8 menunjukkan kurva pada perubahan arus eksitasi generator pertama dimana jika arus eksitasi diperbesar maka Cosθ generator pertama akan semakin meningkat dan Cosθ generator kedua akan semakin rendah begitu juga sebaliknya. 0, ,29 0,155 0,12 0, V 0,15 112,2 10,41 j V 0,11 0,30 112V 19,13 j 5. Kesimpulan dapun kesimpulan yang diperoleh dalam penelitian ini adalah: 1. Jika arus eksitasi pada generator sendiri dirubah maka faktor daya generator tidak akan berubah namun tegangan akan berubah sedangkan pada generator yang bekerja paralel jika diatur arus copyright DTE FT USU 14

8 SINGUD ENSIKOM VOL. 7 NO. 1/pril eksitasinya akan merubah faktor daya generator dan tegangan akan tetap. 2. Beban induktif a) Jika arus eksitasi pada generator diperbesar maka faktor daya generator akan mengecil menjauhi nilai 1 dengan faktor daya ging, sedangkan jika dikurangi hingga mencapai batas pengaturan maka faktor daya generator akan mendekati nilai 1 dan dapat bersifat leading. b) Jika arus eksitasi pada generator diperbesar maka generator tersebut menyuplai daya reaktif lebih besar daripada generator yang lain. c) Bila arus eksitasi dikurangi hingga batas pengaturan (under excited) maka generator tersebut bersifat mengkonsumsi daya reaktif. 3. Beban kapasitif a) Jika arus eksitasi pada generator diperbesar maka faktor daya generator akan semakin meningkat mendekati nilai 1 dengan faktor daya leading, sedangkan jika dikurangi hingga maka faktor daya generator akan menjauhi nilai 1 dan bersifat leading. b) Jika arus eksitasi pada generator diperbesar maka generator tersebut menyerap daya reaktif lebih sedikit daripada generator yang lain. [8]EffectofchangeinExcitation_yourelectricalh ome.htm 6. Referensi [1]Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, Jakarta,2001. [2]Theraja, B.L. & Theraja,.K., Text Book of Electrical Technology, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., [3]Generator_liefRakhman.htm Di posting pada 6 Februari [4]Metha, V.K, Metha, Rohit, Principle of Electrical Machine, S. Chand & Company Ltd., New Dehli 2002 [5]GeneratorSinkron_WawanBlog.htm [6]ParallelOperationofTwolternators_yourel ectricalhome.htm [7]Chapman, Stephen J, Electric Machinery Fundamentals, 4rd Edition, Mc Graw Hill Book Company, ustralia, copyright DTE FT USU 15