PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON TERHADAP PERUBAHAN ARUS DAN FAKTOR DAYA BEBAN ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT-USU ) O L E H NAMA : ELMAN FAERI LASE NIM : 070422007 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2011
ABSTRAK Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Dalam operasinya, Generator Sinkron dipengaruhi oleh besar beban yang selalu berubah-ubah. Perubahan beban ini mempengaruhi tegangan terminal (tegangan keluaran) generator yang selalu dituntut agar tetap stabil. Untuk mengendalikan tegangan terminal agar tetap stabil maka diaturlah kuat arus eksitasinya. Akibat pengaturan arus eksitasi maka pada generator terjadi perubahan drop tegangan pada belitannya sehingga regulasi tegangan berubah. Dalam Tugas Akhir ini, dibahas mengenai regulasi tegangan generator sinkron sebelum dan sesudah pengendalian tegangan untuk arus dan faktor daya beban yang berubah-ubah. Dalam hal ini penulis mengambil aplikasi pada Generator Sinkron Tiga Fasa pada Laboratorium Konversi Energi Iistrik FT.USU. i
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan yang maha kuasa atas rahmat dan karunia sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul : PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON TERHADAP PERUBAHAN ARUS DAN FAKTOR DAYA BEBAN Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir.Sumantri Zulkarnain, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Masykur Sjani, selaku dosen Wali penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim. M.si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzy, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU. 4. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU. 5. Kepada kedua orangtua dan adik saya yang telah memberikan dukungan, semangat, motivasi dan kasih sayang yang tak ternilai besarnya. 6. Kepada teman-teman anak Ekstensi elektro USU 2007, Ardi, Boy, Candra, dan Samaria yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. ii
7. Kepada teman-teman kost yang selalu memberi semangat dan motivasi kepada penulis. 8. Kepada Pak Zul M. Tel, Pak T. Hulu, Sabjan Zamasi, Velix, Happy dan temanteman lainya yang telah memberikan dorongan semangat kepada penulis. 9. Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah banyak membantu penulis dalam proses pengambilan data. 10. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya. Medan, Penulis, Elman Faeri Lase NIM. 070422007 iii
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penulisan... 2 1.3 Mamfaat Penulisan... 2 1.4 Batasan masalah... 2 1.5 Metode Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II GENERATOR SINKRON 2.1 Umum... 5 2.2 Konstruksi Generator Sinkron... 6 2.2.1 Stator... 7 2.2.2 Rotor... 10 2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron... 12 2.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron... 14 2.5 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron... 16 2.6 Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron... 19 2.7 Efek Perubahan Beban Pada Generator Yang Beroperasi Sediri... 21 27 Faktor Daya... 23 iv
BAB III KAREKTERISTIK GENERATOR SINKRON DAN PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SINKRON 3.1. Parameter Generator Sinkron... 25 3.1.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : E0 = E0 (If)... 25 3.1.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat : Isc = Isc (If)...... 27 3.1.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban : V = V(If)...30 3.1.4 Karakteristik Luar Generator Sinkron : VΦ = f (IL)......30 3.1.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)...33 3.1.6 Pengukuran Tahanan Jangkar... 32 3.1.7 Menentukan Impedansi dan Reaktansi Sinkron... 32 3.2 Pengendalian Tegangan Terminal Generator... 37 3.4 Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Metode Impedansi Sinkron... 41 BAB IV PENENTUAN PARAMETER DAN ANALISA PENGENDALIAN TEGANGAN TERMINAL GENERATOR SIKRON 4.1 Umum... 45 4.2 Peralatan Yang Digunakan... 45 4.3 Percobaan Menentukan Parameter Generator Tiga Phasa...48 4.3.1 Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar... 48 4.3.2 Percobaan Beban Nol... 49 4.3.3 Percobaan Hubung Singkat... 50 4.3.4 Percobaan Berbeban... 51 v
4.4 Data Hasil Percobaan... 54 4.4.1 Data Hasil Percobaan Tahanan Jangkar... 54 4.4.2 Data Hasil Percobaan Beban Nol... 55 4.4.3 Data Hasil Percobaan Hubung Singkat... 56 4.4.4 Penentuan Parameter Generator Sinkron... 57 4.4.5 Data Hasil Percobaan Berbeban... 59 4.5. Perhitungan Regulasi Tegangan... 60 4.5.1. Perhitungan Regulasi Tegangan Terminal Berdasarkan Data Hasil Percobaan... 60 4.5.2. Perhitungan Regulasi Generator Berdasarkan Metode Impedansi Sinkron... 61 4.6 Grafik Hasil Percobaan... 63 BAB V KEIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan...67 5.2 Saran...67 DAFTAR PUSTAKA vi
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Tabel Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar... 54 Tabel 4.2 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan... 55 Tabel 4.3 Data Arus Hubung Singkat Sebagai Fungsi Arus Medan... 56 Tabel 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat... 58 Tabel 4.5 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Resistif... 59 Tabel 4.6 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Induktif... 59 Tabel 4.7 Hasil Percobaan Generator Dengan Beban Kapasitif... 59 Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Tegangan Terminal Berdasarkan Data Percobaan... 60 Tabel 4.8 Hasil Perhitungan %VR Generator Sinkron... 62 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1(a) Generator AC Satu Fasa Dua Kutub... 5 Gambar 2.1(b) Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub... 5 Gambar 2.2 Konstruksi Generator Sinkron... 6 Gambar 2.3 Bentuk-bentuk Alur... 8 Gambar 2.4 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa... 8 Gambar 2.5 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa... 9 Gambar 2.6 Rotor Kutub Menonjol... 11 Gambar 2.7 Rotor Rotor Kutub Slinder... 12 Gambar 2.8 Model Reaksi Jangkar... 15 Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron... 17 Gambar 2.10 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron... 18 Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa... 18 Gambar 2.12(a) Rangkaian Ekivalen Tiga Fasa Generator Hubungan Y... 19 Gambar 2.12(b) Rangkaian Ekivalen Tiga Fasa Generator Hubungan Δ... 19 Gambar 2.13 Perubahan Fasor Untuk Berbagai Beban Yang Berubah... 22 Gambar 2.14 Kurva Arus Jangkar Vs Arus Medan Untuk Tiga Faktor Daya... 23 Gambar 2.15 Segitiga Daya... 24 Gambar 3.1 Rangkaian Test Tanpa Beban... 26 Gambar 3.2 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)... 26 Gambar 3.3 Gambar Rangkaian Hubung Singkat... 27 Gambar 3.4 Karakteristik Hubung Singkat... 29 Gambar 3.5 (a) Diagram fasor hubung singkat... 29 Gambar 3.5 (b) Diagram Fasor Medan Magnet saat Hubung Singkat... 29 Gambar 3.6 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban... 30 Gambar 3.7 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban... 31 viii
Gambar 3.8 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif... 33 Gambar 3.9 Karakteristik Pengaturan Generator... 35 Gambar 3.10 Sistem Eksitasi Dengan Pilot Exciter... 39 Gambar 3.11 Sistem Eksitasi Dengan Main AC Exciter Dan Stationary Silicon Controlled Rectifier... 40 Gambar 3.12 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (brushless excitation system)... 41 Gambar 3.13 Plot Diagram Metode Impedansi Sinkron... 42 Gambar 3.14 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Terbelakang (Lagging)... 39 Gambar 3.15 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Satu (Unity)... 40 Gambar 3.16 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Mendahului (Leading)... 40 Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar... 48 Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol... 49 Gambar 4.3 Rangkaian Hubung Singkat... 50 Gambar 4.4 (a) Rangkaian Percoban Berbeban... 52 Gambar 4.4 (b) Rangkaian Beban Resitif... 52 Gambar 4.4 (c) Rangkain Beban Kapasitif... 52 Gambar 4.4 (d) Rangkain Beban Induktif... 52 Gambar 4.5 Karakteristik Beban Nol... 56 Gambar 4.6 Karakateristik Hubung Singkat... 57 Gambar 4.7 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban resistif... 63 Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Induktif... 64 Gambar 4.9 Grafik perbandingan tegangan terminal generator sinkron dengan dan tanpa pengendalian tegangan terminal dengan beban Kapasitif... 64 Gambar 4.10 Grafik Hubungan If (ma) dengan Ia (A) pada pengendalian tegangan terminal generator sinkron... 65 Gambar 4.11 Grafik hubungan %VR dengan Ia (A)... 65 ix