ANALISIS PENENTUAN TEGANGAN TERMINAL, REGULASI, DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON 3 FASA ROTOR SALIENT POLE DENGAN METODE BLONDEL (TWO REACTION THEORY) Selamat Aryadi (1), Syamsul Amien (2) Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: selamat.aryadi@gmail.com Abstrak Pada sistem pembangkit listrik perubahan beban dapat terjadi sewaktu-waktu seiring meningkatnya kebutuhan energi yang akibatnya beban yang dilayani oleh generator sinkron berubah-ubah yang dapat mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator sinkron tersebut. Sehingga menyebabkan perubahan tegangan terminal yang akan berpengaruh pada efisiensi serta keandalan suatu sistem. Adapun tulisan ini membahas tentang analisa penentuan tegangan terminal generator sinkron 3 fasa rotor salient pole menggunakan metode Blondel (two reaction theory), sebelumnya dilakukan perbaikan faktor daya untuk pembebanan induktif dan kapasitif kemudian dilakukan perhitungan regulasi tegangan dan efisiensi. Untuk merubah tegangan terminal agar tetap konstan dapat dilakukan dengan pengaturan tegangan induksi (E a) yang diakibatkan karena adanya perubahan arus beban (I a) yang mengalir pada tahanan jangkar (R a) dan reaktansi sinkron (X s) yang menyebabkan terjadi perubahan tegangan terminal. Untuk nilai pembebanan yang sama, semakin baik faktor daya dari beban yang dilayani oleh generator sinkron semakin baik regulasi yang dihasilkan. Hal ini disebabkan semakin baik faktor dayanya maka semakin kecil tegangan beban nol (E f), semakin besar tegangan yang diterima oleh beban (Vt). Semakin baik faktor daya semakin baik pula efisiensi sedangkan rugi-rugi daya (P cl) dan arus beban (I a) akan semakin kecil. Penentuan tegangan dapat dilakukan dengan metode Blondel (two reaction theory) sehingga didapat hasil yg optimal. Kata Kunci: Generator Sinkron, Metode Two Reaction Theory, Penentuan Tegangan Terminal, Regulasi, dan Efisiensi. 1. Pendahuluan Meningkatnya kebutuhan energi mengakibatkan perubahan beban yang dapat mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator sinkron. Generator sinkron tiga fasa dituntut untuk bekerja stabil pada tegangan yang dihasilkan dan frekuensi. Ketidakstabilan kedua hal tersebut sangat berpengaruh terhadap beban, terutama beban-beban elektronik. Salah satu penyebab alternator bekerja tidak stabil adalah beban perubahan arus beban (I L) yang berpengaruh pada tahanan dan induktansi stator sehingga merubah tegangan induksi (E a) yang berpengaruh pada tegangan terminal (V t). Untuk itu perlu dilakukan pengujian berupa analisis penentuan tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi generator sinkron 3 fasa rotor salient pole dengan metode Blondel (two reaction theory). 2. Studi Pustaka Generator sinkron dibedakan menjadi 2 jenis berdasarkaan jenis rotornya, yaitu: kutub silinder dan kutub menonjol (salient pole) [1]. Rotor kutub menonjol digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang. Generator sinkron ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin pada sistem pembangkit listrik [2]. Pada mesin sinkron rotor salient pole, mmf jangkar tidak dapat ditentukan hanya dengan mengandalkan reaktansi ekivalennya, karena celah udara tidak uniform dan reluktansi sepanjang kutub d-axis lebih kecil dari q- axis [3]. Perbedaaan harga reluktansi kutub dan antar kutubnya membuat mesin rotor salient pole berbeda dari mesin rotor silinder. Pengaruh salient pole dapat dihitung dengan bantuan metode two reaction theory seperti yang diusulkan oleh Blondel. Teori ini menyatakan bahwa arus jangar I a harus diselesaikan dalam bentuk dua komponen, yakni F ad (I d), dalam waktu q-axis dengan E f (sebagai komponen magnetising atau demagnetising yang menghasilkan perubahan 60 copyright@ DTE FT USU
kekuatan fluksi medan. Komponen yang kedua adalah F aq (I q) yang sefasa dengan E f (cross magnetising) dan hanya menghasilkan distorsi dari fluksi medan, seperti Gambar 1. Gambar 1 Diagram fasor teori dua reaksi dari mesin sinkron salient pole. Komponen mmf jangkar F ad dan F aq dapat diambil sebagai komponen yang dihasilkan oleh arus jangkar I a yang sefasa denga F ad dan F aq, masing-masing I d dan I q seperti pada persamaan (1) dan (2) [4]. I d = I sin θ (1) I q = I cos θ (2) Dimana : θ = sudut fasa internal. Dimana: E f = Tegangan terminal generator pada saat beban nol. Vt = Tegangan terminal generator pada saat beban penuh. Kemampuan suatu generator untuk menghasilkan energi atau efisiensi dapat dituliskan sebagai persamaan (5). = 100% (5) Dimana : P in = P out + Σ rugi P P out = daya keluaran P in = daya masukan Perubahan beban arus beban (I a) akan bertambah mengakibatkan perubahan induksi (E a) sehingga berubahnya tegangan terminal[5]. 3. Metode Penelitian Adapun alur penelitian penentuan tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 3. Reaktansi leakage jangkar X at sudah dianggap sama pada d-axis dan q-axis sehingga dapat disederhanakan seperti Gambar 2. (a) (b) Gambar 2 (a) Diagram fasor dua reaksi generator sinkron. (b) Versi yang disederhanakan. Dari Gambar 2 dapat ditentukan persamaan (3): E a = V t + I a.r a + j. I d. X d + j. I q. X q (3) Faktor yang menjadi keunggulan generator sinkron dibandingkan dengan generator yang lain adalah tingkat regulasi tegangan (VR) yaitu suatu kemampuan dari sebuah generator untuk menjaga tegangan terminal tetap konstan walaupun terjadi perubahan beban. Regulasi tegangan dapat didefenisikan dengan persamaan (4). = 100% (4) Gambar 3 Diagram alur penelitian Lokasi pengujian yang dipilih pada percobaan ini adalah Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (PPPPTK). Peralatan-peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. 1 unit Generator Sinkron 3 Fasa dengan spesifikasi sebagai berikut: 61 copyright@ DTE FT USU
V = 220V P = 1kVA/0,8kW I L = 1,6A I sh = 2,8A n = 1500 rpm cosφ = 0,8-1-0,8 In = 0,6 A Jumlah Kutub = 6 Kelas Isolasi = D Gambar 5 Rangkaian percobaan menentukan tegangan untuk menghitung reaktansi sinkron d- axis (X d) dengan test beban nol dan If tertentu. 2. Motor arus searah penguatan bebas 3. 3 unit PTDC 4. 1 unit PTAC/AUTOTRAFO 5. Beban-beban a. Beban induktif b. Kapasitor 6. Alat-alat ukur a. Cos ø meter b. Volt meter AC dan DC c. Amper meter AC dan DC d. Watt meter e. Torsi meter f. Tacho meter Pada penentuan tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi dilakukan beberapa tahapan pengujian, yaitu: 1. Menentukan Tahanan Generator Sinkron Untuk menentukan tegangan induksi (E a) terlebih dahulu harus ditentukan nilai tahanan jangkar (R AC). Generator Sinkron 3 fasa dirangkai seperti gambar 4. Gambar 6 Rangkaian percobaan menentukan arus untuk menghitung reaktansi sinkron d-axis (X d) dengan test hubung singkat dan If tertentu. Berdasarkan percobaan pada Gambar 5 dan Gambar 6. Reaktansi d-axis dapat dihitung pada persamaan 8. = (8) Sedangkan reaktansi q-axis dihitung dengan test slip seperti gambar 7. Gambar 7 Rangkaian percobaan menentukan arus dan tegangan untuk menghitung reaktansi sinkron q-axis (X q) dengan test slip. Gambar 4 Rangkaian percobaan pengukuran tahanan jangkar. Berdasarkan percobaan pada Gambar 4 tahanan jangkar generator sinkron dapat dihitung pada persamaan 6 dan 7. = (6) = 1,2 (7) 2. Menentukan Reaktansi d-axis dan q-axis Untuk menentukan tegangan induksi (E a) pada metode two raction theory reaktansi terdiri dari d-axis dan q-axis. Reaktansi d-axis ditentukan dari perhitungan beban nol dan hubung singkat seperti Gambar 5 dan Gambar 6. Mesin sinkron diputar pada suatu kecepatan dibawah harga kecepatan sinkronnya. Tegangan terminal jangkar sefasa dibagi oleh arus yang dihasilkannya akan memberikan harga X q sesuai persamaan (9), (10), dan (11). = = (9) (10) =. (11) Dimana: X d = reaktansi d-axis dari test slip. X q = reaktansi q-axis dari test slip. X d = reaktansi d-axis dari test beban nol dan hubung singkat. 62 copyright@ DTE FT USU
3. Menentukan Tegangan Terminal, Regulasi, dan Efisiensi Penentuan tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi dilakukan pada percobaan berbeban seperti Gambar 8. Gambar 8 Rangkaian percobaan berbeban. Dari Tabel 1 diperoleh tahanan Generator Sinkron AC sebesar 18 Ω. 4.2 Penentuan Reaktansi d-axis (X d) dan Reaktansi q-axis (X q) Berdasarkan percobaan beban nol dan hubung singkat pada Gambar 5 dan Gambar 6 diperoleh reaktansi d-axis sesuai persamaan (8) yang ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2 Hasil analisa data penentuan Xd. Pertama dilakukan percobaan sebelum dan sesudah perbaikan faktor daya untuk beban induktif dengan menggunakan beban kapasitif sesuai persamaan (12) dan (13). ΔQ = P Tan (φ 1 φ 2 ) = VAR (12) = = (13) Dimana : φ 1 = faktor daya sebelum. = faktor daya sesudah. φ 2 ΔC perfasa = Besar nilai kapasitor perfasa. ΔQ = Jumlah daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya. Arus d-axis (I d), arus q-axis (I q), dan tegangan induksi (E a) ditentukan sebelum dan sesudah perbaikan faktor daya sesuai persamaan (1), (2), dan (3). Sedangkan regulasi dan Efisiensi ditentukan oleh persamaan (4) dan(5). 4. Hasil dan Pembahasan Adapun yang dibahas dalam sub ini adalah penentuan tahanan generator sinkron, penentuan reaktansi d-axis dan q-axis, dan penentuan tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi. 4.1 Penentuan Tahanan Generator Sinkron Tabel 1 Memperlihatkan data-data dan hasil analisa berdasarkan perhitungan yang menggunakan persamaan (6), (7), dan percobaan pada Gambar 4. Tabel 1 Hasil analisa data penentuan tahanan generator sinkron. Dari Tabel 2 diperoleh data beban nol dan hubung singkat yang menghasilkan nilai reaktansi d-axis sehingga dipilih berdasarkan arus medan terkecil yaitu 53,33 Ω. Berdasarkan percobaan pada Gambar 7 diperoleh reaktansi q-axis sesuai persamaan (9), (10), dan (11) didapat hasil yang ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3 Hasil analisa data penentuan Xq. Berdasarkan data pada Tabel 2 diperoleh arus medan (I f) terhadap tegangan beban nol (Ea) ditunjukkan oleh Gambar 9. 63 copyright@ DTE FT USU
Ea 120 100 80 60 40 20 0 Gambar 9 Grafik I f vs E a. Berdasarkan data pada tabel 2 diperoleh arus medan (I f) terhadap arus hubung singkat (I sc) ditunjukkan oleh Gambar 10. 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 If 0 100 200 300 Isc If Vs Ea If Vs Isc 0 100 200 300 If Lanjutan Tabel 4. Berdasarkan persamaan (1), (2), (3), (4), (5), hasil analisa Tabel 1, Tabel 2, Tabel 3 dan Tabel 4 diperoleh tegangan terminal, regulasi, dan efisiensi sebelum dan sesudah perbaikan faktor daya yang ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5 Hasil Analisa data percobaan berbeban. Gambar 10 Grafik I f vs I sc. Lanjutan Tabel 4 4.3 Penentuan Tegangan Terminal, Regulasi, dan Efisiensi Sebelumnya ditentukan faktor daya yang diinginkan adalah 0,9 dan 0,95 untuk setiap nilai arus beban yang digunakan Berdasarkan persamaan (12) dan (13) dipakailah kapasitor yang dengan nilai 2 µf dan 4 µf untuk setiap arus beban. Berdasarkan percobaan pada gambar 8 didapat data yang ditunjukkan pada Tabel 4. Tabel 4 Data percobaan berbeban sebelum perbaikan faktor daya. Berdasarkan data pada Tabel 5 diperoleh arus beban (I a) terhadap tegangan induksi (E f) ditunjukkan oleh Gambar 11. 64 copyright@ DTE FT USU
240.00 235.00 230.00 225.00 220.00 215.00 E f Gambar 11 Grafik I a vs E f. Berdasarkan data pada Tabel 5 diperoleh arus beban (I a) terhadap regulasi tegangan (VR) ditunjukkan oleh Gambar 12. VR 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 I a vs E f 0 1 2 cosϕ=0,79 cosϕ=0,9 cosϕ=0,95 Gambar 12 Grafik I a vs VR. Berdasarkan data pada Tabel 5 diperoleh arus beban (I a) terhadap efisiensi (η) ditunjukkan oleh Gambar 13. 90.00 88.00 86.00 84.00 82.00 80.00 78.00 I a vs VR 0 1 2 cosϕ=0,79 cosϕ=0,9 cosϕ=0,95 ɳ I a vs ɳ 0 1 2 I a I a I a 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil pembahasan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Untuk merubah tegangan terminal agar tetap konstan dapat dilakukan dengan pengaturan tegangan induksi (E a) yang diakibatkan karena adanya perubahan arus beban (I a) yang mengalir pada tahanan jangkar (R a) dan reaktansi sinkron (X s) sehingga terjadi perubahan tegangan terminal. 2. Untuk nilai pembebanan yang sama, semakin baik faktor daya dari beban yang dilayani oleh generator sinkron maka semakin baik regulasi yang dihasilkan. Hal ini disebabkan semakin kecil tegangan induksi E f yang dihasilkan dan semakin besar tegangan yang diterima oleh beban V t. 3. Semakin baik faktor daya semakin baik efisiensi maka rugi-rugi daya (P cl) dan arus jangkar (I a) akan semakin kecil. 4. Penentuan tegangan induksi (E a) dapat dilakukan dengan perhitungan metode Two Reaction Theory untuk rotor salient pole. Sehingga didapat hasil yang optimal. 6. Daftar Pustaka [1] Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Djambatan, Jakarta, 2001. [2] Sumanto, DRS, Mesin Sinkron, Edisi Kedua, Penerbit Andi Offset, Yogyakarta, 1996. [3] Fitgerald A.E. JR. Charles & Kusko Alexander, Electric Macinery, Third Edition, McGraw-Hill, Tokyo Japan, 1971. [4] Bimbra, P.S, Generalized Circuit Theory of Electrical Machines, Khanna Publisher, India, 1975. [5] Slemon G.R. & Straughen A., Electric Machines, Addison-Wesley, United States, 1982. cosϕ=0,79 cosϕ=0,9 cosϕ=0,95 Gambar 13 Grafik I a vs efisiensi. 65 copyright@ DTE FT USU