ANALISA PERBANDINGAN METODE IMPEDANSI SINKRON, AMPER LILIT DAN SEGITIGA POTIER DALAM MENENTUKAN REGULASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON DENGAN PEMBEBANAN RESISTIF, INDUKTIF DAN KAPASITIF Hanri Adi Martua Hasibuan, A.Rachman Hasibuan Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: hanri.elektro07@yahoo.com ABSTRAK Generator Sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik. 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. Pada makalah ini penulis membahas analisa perbandingan metode impedansi sinkron, amper lilit dan segitiga potier dalam menentukan regulasi tegangan generator sinkron dengan pembebanan resistif, induktif, dan kapasitif, dimana datanya sebagai berikut. Metode impedansi sinkron induktif : 75,27 % resistif : 34,41 % kapasitif : 1,89 %. Metode amper lilit induktif : 31,34 % resistif : 11,9 % kapasitif : -15,32 %. Metode potier induktif : 25,38 % resistif : 13,8 % kapasitif : 0 % jadi regulasi dengan menggunakan metode segitiga potier untuk beban resistif dan kapasitif lebih positif dari pada regulasi dengan metode amper lilit, untuk beban induktif metode potier memiliki nilai yang paling kecil. Namun metode setitiga potier merupakan metode yang paling akurat dari ketiga metode yang dipakai. Kata Kunci: pengaturan, impedansi, amperlilit, potier 1. Pendahuluan Generator Sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik. Energi mekanis diberikan oleh penggerak mulanya, sedangkan energi listrik akan dihasilkan pada rangkaian jangkarnya. Dengan ditemukannya Generator Sinkron, telah memberikan hubungan yang penting dalam usaha pemanfaatan energi yang terkandung pada batu bara, air, minyak, gas uranium ke dalam bentuk yang bermanfaat dan mudah digunakan yaitu listrik dalam rumah tangga dan industri. Beban yang dipikul alternator dapat bersifat resistif, induktif, dan kapasitif, yang ketiga beban tersebut memiliki faktor daya yang berbeda. Untuk itu perlu dilakukan pengujian berupa analisa perbandingan untuk ketiga beban tersebut terhadap regulasi tegangan dari sebuah generator sinkron dengan menggunakan beberapa metode yaitu metode impedansi sinkron, amper lilit dan metode segitiga potier yang digunakan untuk menghitung regulasi tegangan pada generator sinkron. Makalah ini bertujuan untuk menganalisa perbandingan pengaruh pembebanan resistif, kapasitif, dan induktif terhadap regulasi tegangan generator sinkron tiga fasa. 2. Generator Sinkron Tiga Fasa Generator Sinkron tiga fasa berfungsi mengubah enerrgi mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak balik. Generator sinkron tiga fasa sering disebut juga sebagai alternator. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Pada prinsipnya, -71- copyright @ DTE FT USU
konstruksi generator sinkron sama dengan motor sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak) juga memiliki celah udara (ruang) antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi [3]. Pada generator sinkron kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap[3]. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor akan dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya, seperti persamaan (1) [3]. 120. f n (1) p dimana : n = Kecepatan putar rotor (rpm) p = Jumlah kutub rotor f = Frekuensi (Hz) Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut. Adapun sesuai dengan persamaan (2) [3]. d e N (2) dt Persamaan (2) diatas di sederhanakan ke persamaan (3) seperti dibawah ini : Cn Dimana :.... (3) N = Jumlah belitan C = Konstanta n = Putaran (Rpm) = Fluks Magnetik (Weber) Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri dari dua jenis yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikat (brushless excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless). Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu : 1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah). 2. Sistem eksitasi statis. Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari : 1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai. 2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator (PMG ) [3]. 3. Pengaruh Beban Resistif, Kapasitif, dan Induktif Generator Sinkron. Cara menentukan pengaturan tegangan untuk mesin mesin kecil dapat diperoleh dengan cara langsung, yaitu generator sinkron diputar pada kecepatan nominal, eksitasi diatur sehingga menghasilkan tegangan nominal (V) pada beban penuh, kemudian beban dilepas dengan menjaga agar putaran tetap konstan.. Maka, akan diperoleh harga tegangan pada beban nol (E a ). Untuk mesin mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali tidak dapat dilakukan. Hal ini disebabkan oleh rating kva yang sangat tinggi. Terdapat beberapa metode tidak langsung yang hanya memerlukan sejumlah kecil daya jika dibandingkan dengan daya yang diperlukan pada metode langsung. Beberapa metode tersebut antara lain [3] : a.) Metode Impedansi Sinkron (EMF) b.) Metode Ampere Lilit (MMF) c.) Metode Potier (zero power factor) d.) Metode new ASA (American Standard Association) Akan tetapi, dalam makalah ini hanya akan dibahas tiga metode, yaitu metode Impedansi Sinkron (EMF), Amper Lilit (MMF) dan metode Potier (zero power factor) dengan faktor daya unity, lagging dan leading. Untuk menghitung regulasi tegangan pada sebuah generator sinkron diperlukan data tahanan jangkar (armatur) R a, data beban nol dan data hubung singkat. Pengaturan tegangan (voltage regulation) dari suatu generator sinkron dapat didefinisikan sebagai perubahan tegangan terminal dari beban nol (no-load) ke beban penuh (full-load) dengan menjaga eksitasi medan dan putaran tetap, dibagi dengan tegangan beban penuh (full-load). -72- copyright @ DTE FT USU
Tegangan pada terminal dari generator sinkron tergantung dari beban yang terpasang dan juga faktor daya (power factor) beban tersebut seperti yang dinyatakan dalam persamaan (4) [7]. VR = (E a V) 100 x %.. (4) Perlu dicatat bahwa E a V adalah selisih aritmatik bukan selisih fasor. Faktor faktor yang mempengaruhi regulasi tegangan sebuah generator sinkron antara lain : a.) Jatuh tegangan akibat I a R a pada belitan jangkar b.) Jatuh tegangan akibat I a X L c.) Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar Dalam menghitung regulasi tegangan pada suatu generator sinkron kita dapat menggunakan beberapa metode seperti metode impedansi sinkron, metode amper lilit, metode segitiga potier dan metode new asa. Tetapi didalam makalah ini yang akan dibahas hanya tiga perbandingan metode yaitu : 1. Metode impedansi sinkron, 2. Metode amper lilit (MMF) dan 3. Metode potier ( Zero Power Factor ). dalam menghitung regulasi tegangan sebuah generator sinkron dengan pembebanan resistif, induktif dan kapasitif. 3.1. Metode Impedansi Sinkron Pada metode impedansi sinkron ini, diperoleh nilai impedansi sinkron Z s kemudian reaktansi sinkron X s dari karakteristik beban nol dan karakteristik hubung singkat. Adapun metode ini memerlukan data beban nol dan data hubung singkat. Kedua data diatas digambarkan pada dasar nilai arus medan yang sama. Pada Gambar (1) memperlihatkan diagram lengkap metode impedansi sinkron. Dapat dilihat pada gambar (1) R a dapat diukur, sehingga ditulis seperti persamaan (5). X s = Z.. (5) Dengan mengetahui nilai R a dan X s, pada diagram fasor Gambar (1) maka dapat digambarkan setiap beban dan setiap faktor daya (PF) [3]. 3.2. Metode Amper Lilit (MMF) Metode ini juga menggunakan data data beban nol dan hubung singkat, tetapi memiliki perbedaan dengan metode EMF karena menggunakan reaktansi bocor jangkar (armatur) sebagai reaksi jangkar tambahan. Metode ini mengabaikan tahanan jangkar karena bernilai kecil. Dalam keadaan hubung singkat, arus tertinggal 90º (R a dianggap nol) dan faktor daya nol. Oleh karena itu, reaksi jangkar mengakibatkan demagnetisasi [3]. Gambar (2) dibawah ini memperlihatkan vektor ketiga arus medan yaitu : lagging (tertinggal), leading (mendahului), dan unity (sefasa). Gambar 2. Vektor Arus Medan (a) Faktor Daya Lagging (tertinggal), (b) Faktor Daya Leading (mendahului), (c) Faktor Daya Unity (sefasa) Untuk kasus kasus umum (general case), yaitu ketika faktor daya memiliki nilai antara nol (lagging atau leading) dan satu (unity). Gambar (3) berikut akan memperlihatkan diagram lengkap metode ampere lilit (amperturn method). E0 Tegangan Tanpa Beban SCC ZS I hs Arus Hubung Singkat If I f (A) Gambar 1. Diagram Lengkap Impedansi Sinkron Gambar 3. Diagram Metode Amper Lilit -73- copyright @ DTE FT USU
Dimana : OA = Arus medan yang diperlukan untuk mendapatkan tegangan nominal. OC = Arus medan yang diperlukan untuk mendapatkan arus beban penuh pada hubung singkat. AB = OC = dengan sudut (90º + Ө) terhadap OA (jika faktor daya lagging). OB = Total arus medan yang dibutuhkan untuk mendapatkan tegangan E a dari karakteristik beban nol, seperti persamaan (5) dibawah ini. = 2 + 2 + 2( )( ) {180 (90 + Ө) (5) Metode ini disebut juga optimistic method karena memberikan regulasi yang lebih rendah daripada performansi mesin yang sebenarnya. 3.3. Metode Potier ( Zero Power Factor ). Metode ini berdasarkan pada pemisahan kerugian akibat reaktansi bocor X l dan pengaruh reaksi jangkar X a. Data yang diperlukan pada metode ini adalah data beban nol dan data beban penuh dengan faktor daya satu. Khusus untuk karakteristik beban penuh dengan faktor daya satu dapat diperoleh dengan cara melakukan percobaan terhadap generator seperti halnya pada saat percobaan tanpa beban, yaitu menaikkan arus medan secara bertahap, yang membedakannya supaya menghasilkan faktor daya satu adalah generator harus diberi beban reaktor murni. Arus jangkar dan faktor daya satu saat dibebani harus dijaga konstan. Gambar (4) dibawah ini memperlihatkan diagram lengkap metode segitiga potier [3]. d. Bila vektor BH ditambah kan ke OG, maka besarnya arus medan yang dibutuhkan untuk tegangan tanpa beban E 0 bisa diketahui. 4. PENGATURAN GENERATOR SINKRON Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh perubahan beban terhadap regulasi tegangan generator sinkron tiga fasa maka diperlukan beberapa percobaan yaitu: 1. Percobaan tahanan jangkar 2. Percobaan beban nol 3. Percobaan hubung singkat 4. Percobaan Z pf (Zero power factor) 5. Percobaan berbeban Parameter generator sinkron yang diperlukan adalah X s dan Z s yang diperoleh dari percobaan beban nol dan hubung singkat, sedangkan tahanan jangkar R a tidak diabaikan. Parameter ini untuk mendapatkan tegangan beban nol untuk perhitungan regulasi tegangan. 4.1. Percobaan Tahanan Jangkar Rangkaian percobaan pengukuran tahanan jangkar seperti Gambar (5). Gambar 5. Percobaan Tahanan Jangkar (1). Data percobaan tahanan jangkar pada tabel Tabel 1. Data Percobaan Tahanan Jangkar V DC I DC 6,2 3,14 Gambar 4. Diagram Metode SegiTiga Potier R DC = =,, = 2,96 Ω Dari Gambar (4) diagram Potier diatas, bisa dilihat bahwa : a. V nilai tegangan terminal saat beban penuh. b. V ditambah JF menghasilkan tegangan E. c. BH = AF = untuk mengatasi reaksi jangkar. Oleh karena tahanan jangkar beroperasi dengan tegangan AC maka R DC harus dikali dengan faktor koreksi yang harganya 1,1 s/d 1,5. R AC = 1,3 x 2,96 = 3,84 Ω -74- copyright @ DTE FT USU
4.2 Percobaan Beban Nol dan Percobaan Hubung Singkat Rangakaian percobaan beban nol dan hubung singkat ditunjukkan pada gambar (6a) dan (6b) dibawah ini. 5. 6. 7 80 111 80 3,56 100 134 100 4,01 120 165 120 5,1 A. Rangkaian percobaan Gambar (6a) rangkaian percobaan beban nol Gambar (7) dan Gambar (8) dibawah ini menunjukkan kurva karakteristik beban nol dan kurva karateristik hubung singkat yang data nya diambil dari percobaan beban nol dan percobaan hubung singkat. Gambar 6a. Percobaan Beban Nol Gambar (6b) rangkaian percobaan hubung singkat. Gambar 7. Kurva karakteristik hubung singkat Gambar 6a. Percobaan Hubung Singkat B. Data percobaan Data pecobaan beban nol dan hubung singkat ditunjukkan pada tabel (2) dibawah ini. Adapun data percobaan pada tabel (2) sekaligus perbandingan kedua percobaan untuk mendapatkan parameter generator sinkron dan juga kurva karaktetirstik kedua percobaan tersebut. Tabel 2. Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat. OCC SCC No. I f (ma) V t (V) I f (ma) I a (A) 1. 2. 3. 4. 0 11 0 0,76 20 36 20 1,3 40 56 40 2,02 60 86 60 2,74 Gambar 8. Kurva Karakteristik Hubung Singkat Dari tabel (2) kita ambil salah satu nilai arus penguatan (I f ) yaitu 120 ma karena pada nilai arus penguat (I f ) = 120 ma nilai arus jangkar merupakan nilai arus nominal. Dimana, ketika I f = 120 ma V t = 165 volt dari karakteristik beban nol. I a = 5,1 A dari karakteristik hubung singkat. Maka, dapat diperoleh : Z s = open-circuit I a (rated) X s = Z = 5,1 = 32,35 Ω X s = (32,35) (3,84), X s = 32,12 Ω. -75- copyright @ DTE FT USU
4.3 Percobaan Zpf (Zero Power Factor) Rangkaian percoban Zpf (Zero Power Factor) sama seperti rangkaian pada Gambar (6a), bedanya terletak pada bebannya, yang mana beban yang digunakan pada percobaan Zpf (Zero Power Factor) adalah induktor dan kapasitor 20 μf sebanyak dua buah yang diparalelkan guna mendapatkan faktor daya yang mendekati satu. Data percoban Zpf (Zero Power Factor) pada tabel (3). Tabel 3. Data Percobaan Zpf Cos φ V t I f (ma) 0,98 220 340 4.4 Percobaan Berbeban Rangkaian percobaan berbeban juga sama seperti rangkaian percobaan Gambar (6a) yang mana beban yang diberikan pada rangkaian ini adalah beban resistif, beban kapasitif, dan beban induktif. Data percobaan berbeban seperti pada tabel (4). Tabel 4. Data percobaan berbeban Cos φ V Ф 1 210 0,7 Lag 193 0,9 Lead 235 4.5 Tabel data perbandingan metode impedansi sinkron, amper lilit dan segitiga potier. Dari hasil data dan perhitungan ketiga metode diatas maka didapat data seperti pada Tabel (5). Tabel 5. Analisa Data Regulasi (%) Metode Cos φ Unity Cos φ 0,7 Lag Cos φ 0,9 Lead Impedansi Sinkron 34,41 75,27 1,89 Amper Lilit 11,9 31,34-15,32 Segitiga Potier 13,8 25,38 0 5. Kesimpulan Dari ketiga metode yang dilakukan diperoleh regulasi tegangan dengan arus beban sebesar 5,1 A, dimana : 1. Pada beban induktif adalah lebih positif dari pada beban resistif, dan kapasitif. Sedangkan pada beban kapasitif memiliki nilai regulasi tegangan yang negatif. Hal ini dikarenakan sifat dari beban kapasitif yang seolah olah menambah tegangan pada terminal generator. 2. Regulasi tegangan yang diperoleh dengan menggunakan metode impedansi sinkron (EMF) bernilai lebih besar dibandingkan dengan menggunakan metode amper lilit (MMF). Karena itu, metode impedansi sinkron bisa disebut juga dengan pessimistic method dan metode ampere lilit disebut optimistic method. 3. Regulasi dengan menggunakan metode segitiga potier untuk beban resistif dan kapasitif lebih positif dari pada regulasi dengan metode amper lilit, untuk beban induktif metode potier memiliki nilai yang paling kecil. Namun metode setitiga potier merupakan metode yang paling akurat dari ketiga metode yang dipakai. 6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada H.Panongonan Muda Hsb dan Hj.Netti Khairani Daulay selaku orang tua penulis, Ir. A.Rachman Hasibuan selaku dosen pembimbing, juga Ir. Panusur SM.L Tobing, Ir. Tarmizi Kasim, M.Si dan Ir. Masykur Sj. MT selaku dosen penguji penulis yang sudah membantu penulis dalam menyelesaikan makalah ini, serta teman-teman penulis yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan makalah ini. 7. Referensi [1]. Chapman, Stephen J, Electric Machinery Fundamentals, 3rd Edition, Mc Graw Hill Book Company, Singapore, 1999. [2]. Sumanto, DRS, Motor Listrik Arus Bolak- Balik, Edisi Pertama, Penerbit Andi Offset, Yogyakarta, 1993. [3]. Thearaja B. L, A Teks-Book of Electrical Technology, Nurja Construction & Development, New Delhi, 1989. [4]. Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, Jakarta, 2001. [6]. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik Dan Daya, Edisi Ke-5, Gramedia, Jakarta, 1995. [7]. http://dunia-listrik.blogspot.com/ -76- copyright @ DTE FT USU