ANALISA PERBANDINGAN PENGARUH PEMBEBANAN RESISTIF, INDUKTIF, KAPASITIF DAN KOMBINASI BEBAN R L C TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR SINKRON TIGA PHASA ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT- USU) Oleh : NAMA : AHMAD FAISAL N I M : 060402010 Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada Departemen Teknik Elektro DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
ANALISA PERBANDINGAN PENGARUH PEMBEBANAN RESISTIF, INDUKTIF, KAPASITIF DAN KOMBINASI BEBAN R L C TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR SINKRON TIGA PHASA ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT- USU) Oleh : NAMA : AHMAD FAISAL N I M : 060402010 Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 16 Juli tahun 2011 didepan penguji : 1. H. Ir. Satria Ginting, MT : Ketua Penguji 2. Ir. Syarifuddin Siregar : Anggota Penguji 3. Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si : Anggota Penguji Diketahui oleh : Disetujui oleh : Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si Ir. A. RACHMAN HASIBUAN NIP. 195405311986011002 Nip. 1949 1212 19820 3 1003
ABSTRAK Generator sinkron merupakan mesin listrik yang merubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik bolak balik (AC), Energi mekanis diberikan oleh penggerak mulanya. Sedangkan energi listrik bolak balik (AC) akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Dengan ditemukannya Generator Sinkron, telah memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan energi yang terkandung dalam batu bara, gas, minyak, air uranium kedalam bentuk yang bermanfaat yaitu listrik dalam rumah tangga dan industri. Dalam kondisi berbeban generator sinkron akan bervariasi tergantung pada faktor daya beban. Perubahan beban dapat terjadi sewaktu-waktu pada system. Akibat perubahan beban yang dilayani oleh generator sinkron akan mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator tersebut. Sehingga menyebabkan perubahan regulasi tegangan dan efisiensi. Dalam Tugas Akhir ini akan dibahas perbandingan pengaruh pembebanan resistif, induktif, kapasitif dan kombinasi beban R L C terhadap regulasi tegangan dan efisiensi generator sinkron tiga phasa. i
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun Tugas Akhir ini dibuat untuk memenuhi syarat kesarjanaan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda, dan Ibunda. Serta Kakak, Abang, dan Adik tercinta yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang. Dan juga kepada keluarga besar di Siabu. 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 sebesarbesarnya kepada : 1. Bapak Ir. A. Rachman Hasibuan, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, yang telah banyak meluangkan waktu dan ilmu yang beliau miliki demi penyelesaian tugas akhir ini. 2. Bapak H. Ir. Satria Ginting, MT, Bapak Ir. Syarifuddin Siregar, dan Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si, Selaku Dosen Pembanding Tugas Akhir. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU. 4. Bapak Ir. Syamsul Amin, M.Si, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.
iii 5. Bapak Isroy, ST, selaku Pegawai di Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU. 6. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU. 7. Teman-teman Asisten, Taufiq, Martua, Iqbal, Fahdi, Veri, Syawali, Ardiansyah, Syarif, dan Aji di Laboratorium Konversi Energil Listrik Fakultas Teknik Elektro USU. 8. Teman-teman angkatan 06, Azhary Siregar, Fauzi, Fahmi, Hendra, Habibi, Alfi, Ijonk, Mitro, Nasir, Teguh, Qibar, Ibenk, Teku, Rozi, Supenson, Salman, Zaimi, Agung, Randy, dan lain-lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. 9. 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 untuk pengembangan selanjutnya Medan, 25 Juni 2011 Penulis AHMAD FAISAL NIM: 060402010
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK... ( i ) KATA PENGANTAR... ( iii ) DAFTAR ISI... ( iv ) DAFTAR GAMBAR... ( vii ) DAFTAR TABEL... ( ix ) BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penulisan... 2 1.3 Manfaat Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Metode Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II GENERATOR SINKRON TIGA PHASA 2.1 Umum... 6 2.2 Konstruksi Generator Sinkron... 6 2.3 Rangkaian Belitan Stator dan Rotor... 13 2.3.1 Belitan Stator...13 2.3.2 Belitan Rotor...15 2.4 Metode Eksitasi Pada Generator Sinkron... 15 2.5 Prinsip Kerja Generator Sinkron... 22 2.6 Reaksi Jangkar... 24 2.7 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron... 27
v 2.8 Karakteristik dan Penentuan Parameter-parameter Generator Sinkron Tiga Phasa... 28 2.8.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Tanpa Beban... 28 2.8.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat......30 2.8.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban... 33 2.8.4 Karakteristik Luar Generator... 34 2.8.5 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron... 36 BAB III PENGARUH BEBAN RESISTIF, KAPASITIF, DAN INDUKTIF TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR SINKRON TIGA PHASA 3.1 Faktor Daya... 39 3.2 Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Metode Impedansi Sinkron... 41 3.3 Efisiensi Generator Sinkron... 49 BAB IV ANALISA PERBANDINGAN PENGARUH PEMBEBANAN RESISTIF, INDUKTIF, KAPASITIF, DAN KOMBINASI BEBAN R L C TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI GENERATOR SINKRON TIGA PHASA 4.1 Umum... 47 4.2 Peralatan Yang Digunakan... 48
vi 4.3 Percobaan Menentukan Parameter Generator Sinkron Tiga Phasa... 49 4.3.1. Percobaan Beban Nol... 49 4.3.2. Percobaan Hubung Singkat... 51 4.3.3. Penentuan parameter Generator Sinkron... 54 4.4 Percobaan Berbeban... 55 4.5 Analisa Data Perbandingan Pengaruh Pembebanan Resistif, Induktif, Kapasitif, dan Kombinasi Beban R L C Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron Tiga Phasa Pada Faktor Daya Tertentu... 59 4.5.1 Regulasi Tegangan... 59 4.5.2 Efisiensi... 63 4.5.3 Tabel Analisa Data Percobaan... 65 4.5.4 Kurva Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron Tiga Phasa... 67 BAB V KESIMPULAN... 69 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron Secara Umum... 7 Gambar 2.2 Rotor Generator Sinkron... 8 Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron... 9 Gambar 2.4 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron... 10 Gambar 2.5 Stator Generator Sinkron... 11 Gambar 2.6 Bentuk-bentuk Alur... 12 Gambar 2.7 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Phasa... 13 Gambar 2.8 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Phasa... 14 Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Menggunakan Generator Arus Searah... 16 Gambar 2.10 Sistem Eksitasi Statis... 18 Gambar 2.11 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai... 19 Gambar 2.12 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa... 20 Gambar 2.13 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator... 21 Gambar 2.14 Model Reaksi Jangkar...24 Gambar 2.15 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Perphasa Tanpa Beban.26 Gambar 2.16 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron... 26 Gambar 2.17 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron... 27 Gambar 2.18 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa... 28 Gambar 2.19 Rangkaian Test Tanpa Beban... 29 Gambar 2.20 Karakteristik Hubung Terbuka... 30 Gambar 2.21 Gambar Rangkaian Hubung Singkat... 31 Gambar 2.22 Karakteristik Hubung Singkat... 32 Gambar 2.23 Diagram Phasor dan Medan Magnet Saat Hubung Singkat... 33 Gambar 2.24 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban... 34 Gambar 2.25 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban...34
viii Gambar 2.26 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif... 36 Gambar 2.27 Karakteristik Pengaturan Generator... 38 Gambar 3.1 Diagram Phasor... 40 Gambar 3.1(a) Beban Resistif... 40 Gambar 3.1(b) Beban Induktig... 40 Gambar 3.1(c) Beban Kapasitif... 40 Gambar 3.2 Diagram Karakteristik Metode Impedansi Sinkron... 42 Gambar 3.3 Diagram Phasor Generator Sinkron Untuk Menggambarkan Regulasi Tegangan...42 Gambar 3.3(a) Beban Resistif... 43 Gambar 3.3(b) Beban Induktif... 43 Gambar 3.3(c) Beban Kapasitif... 43 Gambar 3.4 Diagram Aliran Daya Generator Sinkron... 44 Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol... 49 Gambar 4.2 Karakteristik Beban Nol... 51 Gambar 4.3 Rangkaian Hubung Singkat... 52 Gambar 4.4 Karakteristik Hubung Singkat... 53 Gambar 4.5 Karakteristik Percobaan... 54 Gambar 4.5(a) Karakteristik Percobaan Hubung Singkat... 54 Gambar 4.5(a) Karakteristik Percobaan Hubung Beban Nol... 54 Gambar 4.6(a) Rangkaian Percobaan Berbeban... 56 Gambar 4.6(b) Rangkaian Beban Resistif... 56 Gambar 4.6(c) Rangkaian Bbeban Kapasitif... 56 Gambar 4.6(d) Rangkaian Beban Resistif... 56 Gambar 4.6(e) Rangkaian Beban R L C... 56 Gambar 4.7 Grafik Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Regulasi Tegangan... 67 Gambar 4.8 Grafik Pengaruh Perubahan Beban Terhadap efisiensi... 68
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Tegangan Induksi Sebagai Fungsi Arus Medan... 50 Tabel 4.2 Arus Hubung Singkat Sebagai Fungsi Arus Medan... 53 Tabel 4.3(a) Data Percobaan Pada Beban Resistif... 58 Tabel 4.3(b) Data Percobaan Pada Beban Induktif... 58 Tabel 4.3(c) Data Percobaan Pada Beban Kapasitif... 59 Tabel 4.3(d) Data Percobaan Pada Beban Kombinasi R L C... 59 Tabel 4.4 Hasil Analisa Data Pengaruh Pembebanan Resistif Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron... 65 Tabel 4.5 Hasil Analisa Data Pengaruh Pembebanan Induktif Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron... 65 Tabel 4.6 Hasil Analisa Data Pengaruh Pembebanan Kapasitif Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron... 65 Tabel 4.7 Hasil Analisa Data Pengaruh Pembebanan Kombinasi R L C Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator Sinkron... 65