Analisis Susut Daya Generator Sinkron Pada Beban Nonlinier

Transkripsi

1 Analisis Susu Daya Generaor Sinkron ada Beban Nonlinier Dadan Nurafia/34 Sekola Teknik Elekro dan Informaika, Insiu Teknologi Bandung Jalan Ganesa Bandung Absrak eneliian ini membaas pengaru beban nonlinier eradap susu daya generaor sinkron dan membua baasan pembebanan generaor sinkron pada beban nonlinier. Arus generaor idak sinusoidal saa generaor memasok beban nonlinier. Harmonisa orde keiga dan kelipaannya akan mendominasi perambaan susu daya generaor. Susu daya ambaan yang dimaksud adala susu daya embaga ambaan akiba erimbasnya arus armonisa di rangkaian roor. Kaa Kunci armonisa, generaor sinkron, nonlinier, susu daya. I. ENDAHULUAN Hampir semua indusri komersial menggunakan pembangki energi elekrik sendiri unuk menjaga koninuias produksi. enggunaan energi cadangan ini dilakukan dengan perimbangan bawa risiko yang arus dianggung akiba erpuusnya pasokan daya akan lebi besar daripada pengeluaran unuk penyediaan energi cadangan. embangki energi elekrik sendiri umumnya menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mulanya dan erubung langsung ke pusa beban. Konfigurasi yang umum digunakan pada pembangki energi elekrik sendiri adala sisem iga fasa empa kawa. Beban nonlinier seperi perangka kompuer, sisem audio-video, US, dan perangka elekronika lainnya akan mendisorsi arus generaor. Unuk mengeaui kinerja generaor pada beban nonlinier diperlukan analisis mengenai susu daya ambaan akiba arus beban yang idak sinus. Beberapa lieraur melakukan analisis susu daya generaor sinkron akiba beban nonlinier, eapi informasi yang diberikan belum mencukupi unuk membua pedoman pembebanan generaor sinkron pada kondisi beban nonlinier. Dalam makala ini penulis mencoba melakukan pendekaan analiis eradap rugi-rugi generaor sinkron dan melakukan percobaan unuk memperole rugi-rugi generaor pada beban nonlinier. II. IDENTIFIKASI IMEDANSI GENERATOR SINKRON Unuk dapa melakukan analisis rugi-rugi generaor sinkron, perlu dikeaui impedansi generaor. Rangkaian penggani umum mesin arus bolak-balik diunjukkan pada Gambar. Gambar. Rangkaian penggani umum mesin arus bolak-balik. arameer yang erdapa pada rangklaian penggani mesin arus bolak-balik adala gaya gerak elekrik E, resisansi saor R s, resisansi roor R r, indukansi magneisasi L m, indukansi bocor saor L ls, indukansi bocor roor L lr, dan slip s. Slip merupakan perbedaan relaif puaran medan saor dengan puaran roor []. Secara maemais slip didefinisikan pada persamaan (). ωs ωr s = () dengan ω s adala puaran medan saor dan ω r adala puaran roor. uaran medan saor sama dengan puaran roor unuk komponen fundamenal arus seingga s bernilai nol. Apabila s bernilai nol maka nilai R r /s bernilai ak ingga. Rangkaian penggani komponen fundamenal diunjukkan pada Gambar. Unuk memperole resisansi generaor pada frekuensi fundamenal dilakukan pengukuran langsung eradap belian saor dengan menggunakan milioeer dan diperole nilai resisansi saor sebesar.697 o. ada kondisi beban nonlinier imbul armonisa pada arus. Fourier menyaakan bawa gelombang periodik non-sinusoidal dapa diuraikan dalam benuk penjumlaan gelombang fungsi sinus yang erdiri dari komponen gelombang sinus fundamenal dan sejumla ak ingga komponen armonisa []. Dengan menggunakan analisis fourier maka persamaan arus beban masing-masing fasa dapa diulis sebagai beriku : = ω s I = I cos ω () R I S = I cos ( ω ) (3) = IT = I cos ( ω + ) (4) =

2 dengan adala orde armonisa dan I adala nilai maksimum armonisa orde ke. Arus armonisa ersebu dapa diuraikan menjadi komponen armonisa uruan posiif, negaif, dan nol. Harmonisa dengan orde = 3n- adala armonisa uruan posiif Harmonisa dengan orde = 3n- adala armonisa uruan negaif Harmonisa dengan orde = 3n adala armonisa uruan nol dengan n adala bilangan bula. Bagi seiap gelombang armonisa ini, roor berpuar pada kecepaan sinkron. ada armonida arus uruan posiif dan negaif, impedansi rangkaian roor jau lebi kecil dibandingkan dengan impedansi magneisasi seingga impedansi magneisasi dapa diabaikan. Rangkaian penggani generaor sinkron unuk uruan posiif dan negaif diunjukkan pada Gambar 3. Unuk armonisa uruan nol dianggap idak ada induksi di roor seingga anya aanan saor dan reakansi bocor saor yang perlu diperiungkan. Rangkaian penggani generaor sinkron unuk uruan nol diunjukkan pada Gambar 4. Unuk memperole impedansi uruan posiif dan negaif dilakukan pengujian arus uruan negaif dan posiif. Gambar 5 menunjukkan rangkaian pengujian arus uruan posiif dan negaif. Berdasarkan asil pengujian injeksi arus uruan posiif dan negaif diperole resisansi uruan posiif dan negaif seperi diunjukkan Gambar 6. resisansi (o) Gambar 5. Rangkaian pengujian arus uruan posiif dan negaif orde armonisa Gambar 6. Grafik resisansi uruan posiif dan negaif eradap orde armonisa Impedansi uruan nol diperole dengan melakukan pengujian arus uruan nol. Secara umum meoda yang digunakan unuk memperole impedansi uruan nol ampir sama dengan penenuan impedansi uruan posiif dan negaif. Gambar 7 menunjukkan rangkaian pengujian arus uruan nol. Berdasarkan asil pengujian injeksi arus uruan nol, diperole resisansi uruan nol seperi diunjukkan Gambar 8. Dari grafik resisansi eradap orde armonisa dapa dilia bawa nilai resisansi meningka apabila frekuensi meningka. Hal ini erjadi akiba adanya skin effec [3]. Gambar. Rangkaian komponen fundamenal. Gambar 7. Rangkaian pengujian uruan nol. Gambar 3. Rangkaian penggani uruan posiif dan negaif. resisansi (o) orde armonisa Gambar 4. Rangkaian penggani uruan nol. Gambar 8. Grafik resisansi uruan nol eradap orde armonisa.

3 III. RUGI-RUGI GENERATOR SINKRON Daya mekanik yang masuk ke generaor idak dapa sepenunya diuba menjadi daya elekrik []. erbedaan daya ersebu merupakan rugi-rugi generaor sinkron. Rugi-rugi generaor sinkron erdiri dari : Rugi-rugi gesekan dan angin ( f&w ) Rugi-rugi ini( core ) Rugi-rugi embaga( ) Rugi-rugi sray( sray ) Rugi-rugi generaor ersebu dikelompokkan menjadi dua bagian, yaiu rugi-rugi eap dan rugi rugi beruba. Rugi-rugi generaor yang ergolong rugi-rugi eap adala rugi-rugi ini dan rugi-rugi angin dan gesekan. Rugi-rugi ini dan rugi-rugi gesekan dan angin bisa disebu juga no load roaional loss ( RL ). Jika generaor sinkron anpa beban dipuar pada puaran nominalnya dan diberi eksiasi sampai egangan nominalnya, maka seluru daya yang masuk ke generaor sinkron digunakan unuk mengaasi rugi-rugi angin dan gesekan dan rugi-rugi ini. Rugi-rugi beruba erdiri dari ugi-rugi embaga dan rugi-rugi sray. Kedua rugi-rugi ini beruba seiring dengan berubanya beban. Rugi-rugi gesekan dan angin imbul akiba gesekan banalan dan sika. Karena kecepaan puaran generaor sinkron eap maka rugi-rugi ini bernilai eap. Rugi-rugi ini erdiri dari rugi-rugi yserisis dan arus pusar. Unuk mengurangi rugi-rugi yserisis, dipili logam ini yang memiliki luas area yserisis loop yang kecil. Rugi-rugi arus pusar dapa diperkecil dengan membenuk ini berupa lapisan ipis yang erisolasi sau sama lainnya [4]. Rugi-rugi embaga merupakan rugi-rugi akiba pemanasan pada kumparan embaga. Rugi-rugi yang idak ermasuk ke dalam keiga ugi-rugi yang ela dibaas dikelompokkan kedalam rugi-rugi sray. Gambar 9 menunjukkan diagram aliran daya pada generaor sinkron. Apabila generaor sinkron memasok beban linier maka idak ada armonisa yang imbul. Arus yang mengalir pada saor anya memiliki komponen fundamenal saja. Rugi-rugi embaga generaor sinkron pada kondisi beban linier diuliskan pada persamaan (5). = 3IR (5) dengan I adala komponen fundamenal arus dan R adala resisansi pada frekuensi fundamenal. Rugi-rugi embaga generaor sinkron pada kondisi beban nonlinier diuliskan pada persamaan (6). 3 I R = = (6) Dengan I armonisa orde ke- dan R adala resisansi generaor pada armonisa orde ke-. IV. EXERIMEN EMBEBANAN Eksperimen pembebanan dilakukan dengan menggunakan generaor sinkron 6 kw, 3 fasa, 38/ V. Sebagai penggerak mula digunakan moor DC. Rugi-rugi generaor sinkron secara maemais diuliskan pada persamaan (7). = RL + + sray (7) Rugi-rugi sray ( sray ) berganung pada daya keluaran generaor. ada makala ini sray bernilai,5% dari daya keluaran generaor [5]. A. Eksperimen embebanan linier Rangkaian eksperimen pembebanan linier dilukiskan seperi pada Gambar. Beban generaor yang digunakan adala resisor vaiabel dengan kapasias maksimum 4 wa. Rugi-rugi oal generaor sinkron pada kondisi beban linier diunjukkan pada persamaan (8). = RL + IR+.5load (8) ada Gambar diampilkan kurva rugi-rugi generaor sinkron eradap daya keluaran generaor sinkron pada pembebanan linier. Kurva ersebu menunjukkan perbandingan anara rugi-rugi generaor asil periungan dengan asil eksperimen. Hasil ini menunjukkan bawa meoda analisis yang digunakan cukup akura. Gambar. Rangkaian eksperimen pembabanan linier. rugi-rugi (wa) daya keluaran (wa) percobaan periungan Gambar 9. Diagram aliran daya pada generaor sinkron. Gambar. erbandingan rugi-rugi asil eksperimen dan periungan pada beban linier.

4 B. Eksperimen embebanan nonlinier ada experimen pembebanan nonlinier generaor dibebani dengan penyeara full bridge sau fasa, kapasior 33 µc, indukor 5mH, dan resisor variabel. Rangkaian eksperimen pembebanan nonlinier diunjukkan pada gambar. Unuk memperole daa arus armonisa digunakan armonic analyzer. Rugi-rugi oal generaor sinkron pada kondisi beban nonlinier adala: RL.5 load = = + I R + (9) erbandingan rugi-rugi generaor asil eksperimen pembabanan nonlinier dan asil periungan diunjukan pada Gambar 3. Sekali lagi asil ini menunjukkan bawa meoda analisis yang digunakan cukup akura. erbandingan rugi-rugi geneaor pada beban linier dengan rugi-rugi generaor pada beban nonlinier diperliakan pada Gambar 4. Dari kurva perbandingan dapa kia keaui bawa pada daya erpasang yang sama, rugi-rugi generaor yang memasok beban nonlinier lebi besar daripada rugi-rugi generaor yang memasok beban linier. rugi-rugi (wa) Gambar. Rangkaian eksperimen pembabanan nonlinier daya keluaran (wa) percobaan periungan Gambar 3. Kurva perbandingan rugi-rugi asil eksperimen dan periungan pada beban nonlinier. rugi-rugi (wa) daya keluaran (wa) nonlinier linier Gambar 4. Kurva perbandingan rugi-rugi generaor sinkron pada beban linier dengan nonlinier V. SUSUT DAYA GENERATOR DAN THD ARUS Sala sau parameer yang menunjukkan besarnya disorsi gelombang adala Toal Harmonic Disorion (THD) []. Komponen disorsi dari arus adala : / Idis = I I = I / () dengan I adala nilai rms arus yang erdisorsi dan I adala komponen fundamenal arus. THD arus memiliki definisi sebagai beriku : Idis % THD = () I I I % THD = () I I % THD = I (3) Karena generaor sinkron pada dasarnya anya membangkikan GGE fundamenal, maka seluru daya yang dibangkikan arusla berasal dari komponen fundamenal saja [6]. erbandingan komponen fundamenal arus pada beban nonlinier dengan beban linier dapa digunakan sebagai deraing facor. Deraing facor merupakan fakor yang menunjukkan penurunan pembebanan generaor dari nilai nominalnya. Rugi-rugi embaga embaga secara umum diulisan pada persamaan (4). losses = IR + I R (4) = Apabila kia subsiusikan persamaan () ke persamaan (4) diperole persamaan rugi-rugi embaga seperi pada persamaan (5). = IR + IdisR (5) Subsiusi persamaan () ke persamaan (5) mengasilkan persamaan (6). = IR+ THD IR (6) ( ) = I R + THD R (7) I = (8) R + THD R Dari persamaan (8) dapa dikeaui nilai komponen fundamenal arus bagi seiap nilai THD unuk nilai rugi-rugi embaga erenu. ada beban linier komponen fundamenal arus diuliskan pada persamaan (9). IL = (9) R erbandingan komponen fundamenal arus pada beban nonlinier dan linier diuliskan pada persamaan (). L I R = I R + THD R ()

5 ersamaan () merumuskan deraing facor. ada Gambar 5 diunjukkan kurva pembebanan generaor pada beban nonlinier eradap nilai THD Deraing facor (%) % THD Gambar 5. Kurva deraing facor eradap THD. VI. KESIMULAN Kesimpulan yang dapa diperoe dari peneliian ini adala. ada sisem iga-fasa empa-kawa, armonisa didominasi ole armonisa keiga dan kelipaannya. Harmonisa arus orde keiga dan kelipaannya akan menamba rugi-rugi embaga generaor sinkron pada beban nonlinier.. Unuk mengeaui rugi-rugi generaor, perlu informasi yang epa mengenai parameer generaor sinkron pada kondisi beban nonlinier. 3. Dari kurva deraing fakor dapa dikeaui pembebanan generaor uji disarankan sebesar 8.5% dari beban nominalnya pada nilai THD arus sebesar 5%. REFERENSI [] Capman, Sepen J., Elecric Macinery Fundamenals, Singapore : McGraw-Hill,Inc, 985. [] Moan, Undeland, and Robbins, ower Elecronics Converer, Applicaion and Design,Jon Wiley and Sons, Inc., 3. [3] Hay, Jr.,William H., Engineering Elecromagneics, Singapore : McGraw-Hill,Inc, 989. [4] Gupa, J. B., Teory and erformance of Elecrical Macines, S. K. Kaaria & Sons., 4. [5] Asko arviainen, Design of Axial-Flux ermanen-magne Low-Speed Macines and erformance Comparison Beween Radial-Flux and Axial Flux, Lappeenrana 5. [6] Qamaruzzaman, Idenifikasi arameer Generaor Sinkron yang Dibebani dengan enyeara, SENATRIK 4.