ANALISIS PERBANDINGAN KARAKTERISTIK PENGATURAN TEGANGAN GENERATOR SINKRON TANPA SIKAT DENGAN METODE IMPEDANSI SINKRON DAN AMPERE LILIT Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Oleh : SANITA SARI F. NADEAK 060402046 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
ABSTRAK Karena tegangan terminal generator ac akan berubah dengan berubahnya beban, maka diperlukan suatu usaha untuk menjaga agar tegangannya konstan. Cara yang biasa dilakukan untuk menjaga agar tegangannya konstan meskipun bebannya berubah ubah adalah dengan menggunakan alat bantu yang disebut pengatur tegangan (voltage regulator). Pengatur tegangan menjaga agar tegangan tetap konstan dengan mengendalikan besarnya eksitasi medan dc yang dicatukan pada generator. Bila tegangan generator turun karena penambahan beban, pengatur tegangan secara otomatis menaikkan pembangkitan medan sehingga tegangan kembali normal. Demikian juga jika tegangan terminal naik karena pengurangan beban, pengatur tegangan mengembalikan tegangan ke nilai normal dengan mengurangi eksitasi medan. Pengaturan tegangan generator didefinisikan sebagai perubahan tegangan dari beban nol ke beban penuh dengan menjaga eksitasi tetap dan putaran tetap. Pengaturan tegangan dilakukan oleh AVR (Automatic Voltage Regulator) dengan membandingkan harga tegangan yang dihasilkan oleh generator dengan tegangan dari sistem. AVR bertugas untuk menjaga tegangan yang dihasilkan oleh generator tetap konstan. Ada beberapa metode yang sering digunakan untuk menentukan pengaturan tegangan tersebut, antara lain : metoda impedansi sinkron (EMF), metode ampere lilit (MMF), metode faktor daya nol (Potier) dan metode New ASA. Tugas Akhir ini akan membahas perbandingan karakteristik pengaturan tegangan dengan menggunakan metode impedansi sinkron dan ampere lilit pada generator sinkron brushless.
KATA PENGANTAR Atas berkat dan rahmat Bapa di Surga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Dimana, Tugas Akhir ini diselesaikan untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan perkuliahan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, penulis mendapatkan bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada : 1. Kedua orang tua penulis, Drs. Aloster Nadeak dan S.N Herawaty Br. Simanjuntak (Alm), adik-adik penulis (Agus Nadeak dan Ruth Natalia Br. Nadeak) dan keluarga besar penulis yang senantiasa mendukung penulis baik dalam perbuatan maupun doa mereka. 2. Bapak Ir. Mustafrin Lubis, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas waktu yang telah diluangkan Beliau untuk memberikan bimbingan dan motivasi bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Ir. M. Natsir Amin, MM, selaku dosen Wali penulis, atas waktu dan bimbingan Beliau dalam menyelesaikan perkuliahan penulis. 4. Bapak Prof. DR. Ir. Usman Baafai, selaku Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rahmad Fauzy, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU. 5. Bapak Sinulingga, selaku Kepala Laboratorium beserta seluruh staf pengajar di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) yang telah banyak membantu penulis dalam proses pengambilan data.
6. Seluruh Staf Pengajar dan Karyawan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik yang telah membantu penulis selama masa perkuliahan. 7. Seluruh teman penulis angkatan 06, Sukesih, Pingkan, Muti, Liza, Ina, Martua, Nasir, Jaytun, Angga, Taufik, Randy, Iqbal, Folda, Freshman, Frans, Supenson, Bang Faisal, Eka, Baim, Royden, Bonar, Bale, John, Boja dan teman teman lainnya. 8. Seluruh senior, junior dan Bang Roy yang mau berbagi pengalaman dan motivasi dengan penulis. 9. Seluruh pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk kesempurnaan Tugas Akhir ini. Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua. Medan, Agustus 2010 Penulis
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan dan Manfaat penulisan... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Metode Penulisan... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II GENERATOR SINKRON 2.1 Pendahuluan... 6 2.2 Konstruksi Generator Sinkron... 7 2.2.1 Stator... 7 2.2.2 Rotor... 11 2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron... 12 2.3.1 Generator Sinkron Tanpa Beban... 13 2.3.2 Generator Sinkron Berbeban... 14 2.4 Karakteristik dan Penentuan Parameter parameter Generator Sinkron... 22 2.4.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Tanpa Beban... 22
2.4.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung Singkat... 24 2.4.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Berbeban... 27 2.4.4 Penentuan Tahanan Rotor Generator Sinkron... 28 2.4.5 Karakteristik Luar Generator Sinkron... 29 2.4.6 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron... 31 2.4.7 Karakteristik Faktor Daya Nol dan Segitiga Potier... 33 BAB III SISTEM EKSITASI DAN METODE PENGATURAN TEGANGAN GENERATOR SINKRON 3.1 Sistem Eksitasi pada Generator Sinkron... 36 3.2 Metode metode Eksitasi pada Generator Sinkron... 39 3.2.1 Sistem Eksitasi dengan Sikat (Brush Excitation)... 40 3.2.2 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (Brushless Excitation)... 41 3.2.3 Sistem Eksitasi Self Excited dengan PMG (Permanent Magnet Generator)... 43 3.2.4 Sistem Eksitasi Generator Konvensional... 47 3.2.5 Sistem Eksitasi Generator dengan Penguat Statis... 48 3.3 Pengaturan Tegangan Generator Sinkron... 48 3.4 Metode Pengaturan Tegangan Generator Sinkron... 50 3.4.1 Pengaturan Tegangan dengan Metode Impedansi Sinkron (EMF)... 52 3.4.2 Pengaturan Tegangan dengan Metode Ampere Lilit (MMF)... 55
3.4.3 Pengaturan Tegangan dengan Metode Portier (Zero Power Factor)... 60 3.4.4 Pengaturan Tegangan dengan Metode New ASA (American Standard Association)... 63 BAB IV PENGATURAN TEGANGAN GENERATOR SINKRON 4.1 Percobaan Pengukuran Resistansi Jangkar (R dc )... 66 4.1.1 Peralatan yang Digunakan... 66 4.1.2 Rangkaian dan Prosedur Percobaan... 66 4.1.3 Data Hasil Percobaan... 67 4.2 Percobaan Karakteristik Beban Nol (open-circuit)... 67 4.2.1 Peralatan yang Digunakan... 67 4.2.2 Rangkaian dan Prosedur Percobaan... 68 4.2.3 Data Hasil Percobaan Beban Nol... 69 4.2.4 Grafik Karakteristik Beban Nol... 70 4.3 Percobaan Karakteristik Hubung Singkat (short-circuit)... 71 4.3.1 Peralatan yang Digunakan... 71 4.3.2 Rangkaian dan Prosedur Percobaan... 71 4.3.3 Data Hasil Percobaan Hubung Singkat... 73 4.3.4 Grafik Karakteristik Hubung Singkat... 74 4.4 Percobaan Berbeban... 74 4.4.1 Peralatan yang Digunakan... 74 4.4.2 Rangkaian dan Prosedur Percobaan... 75 4.4.3 Data Hasil Percobaan Berbeban... 76 4.4.4 Grafik Percobaan Berbeban... 77
4.5 Pengaturan Tegangan Generator Sinkron... 78 4.5.1 Metode Impedansi Sinkron (EMF)... 78 4.5.2 Metode Ampere Lilit (MMF)... 81 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan... 84 5.2 Saran... 85 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1a Diagram Generator AC Satu Fasa Dua Kutub... 7 Gambar 2.1b Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub... 7 Gambar 2.2 Inti Stator dan Alur pada Stator... 8 Gambar 2.3 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa... 9 Gambar 2.4 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa... 10 Gambar 2.5 Bentuk Rotor... 11 Gambar 2.6a Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban... 14 Gambar 2.6b Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban... 14 Gambar 2.7 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban... 15 Gambar 2.8 Diagram Phasor Pengaruh X L terhadap V Φ (Beban Induktif)... 16 Gambar 2.9 Model Reaksi Jangkar Generator Sinkron... 17 Gambar 2.10 Diagram Phasor Generator Sinkron saat Lagging, Leading dan Unity... 19 Gambar 2.11 Rangkaian Test Tanpa Beban... 22 Gambar 2.12 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)... 23 Gambar 2.13 Rangkaian Test Hubung Singkat... 24 Gambar 2.14 Karakteristik Hubung Singkat (SCC)... 26 Gambar 2.15 Diagram Phasor dan Medan Magnet saat Hubung Singkat... 26 Gambar 2.16 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban... 27 Gambar 2.17 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban... 28
Gambar 2.18 Rangkaian Pengukuran Tahanan DC... 29 Gambar 2.19 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif... 31 Gambar 2.20 Karakteristik Pengaturan Generator... 33 Gambar 2.21a Diagram Phasor Alternator Rotor Silinder pada ZPF overexcited... 34 Gambar 2.21b OCC, ZPFC dan Segitiga Potier... 34 Gambar 3.1 Sistem Eksitasi dengan Sikat (Brush Excitation)... 40 Gambar 3.2 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (Brushless Excitation)... 42 Gambar 3.3 Diagram Generator Tanpa Sikat dengan PMG... 46 Gambar 3.4 Pengaruh Perubahan Beban terhadap Tegangan Terminal... 49 Gambar 3.5 Diagram Lengkap Metode Impedansi Sinkron... 53 Gambar 3.6 Vektor Diagram dengan Faktor Daya Tertinggal... 54 Gambar 3.7 Vektor Arus Medan... 57 Gambar 3.8 Diagram Lengkap Metode Ampere Lilit (Lagging)... 58 Gambar 3.9 Langkah langkah Menggambar Karakteristik Faktor Daya Nol (ZPFC)... 61 Gambar 3.10 Diagram Vektor Potier... 62 Gambar 3.11 Menentukan Regulasi Tegangan Generator dengan Metode New ASA... 64 Gambar 3.12 Menentukan Eksistensi Medan... 64 Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengukuran Resistansi Jangkar... 67 Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Beban Nol... 68 Gambar 4.3 Grafik Percobaan Beban Nol (I f vs V Φ )... 70 Gambar 4.4 Rangkaian Percobaan Hubung Singkat... 72 Gambar 4.5 Grafik Percobaan Hubung Singkat (I f vs I a )... 74
Gambar 4.6 Rangkaian Percobaan Berbeban... 75 Gambar 4.7 Grafik Karakteristik Berbeban... 77 Gambar 4.8 Grafik OCC dan SCC... 79 Gambar 4.9 Diagram Lengkap Metode Ampere Lilit (resistif)... 89
DAFTAR TABEL Gambar 4.1 Data Hasil Percobaan Beban Nol... 70 Gambar 4.2 Data Hasil Percobaan Hubung Singkat... 74 Gambar 4.3 Data Hasil Percobaan Berbeban... 77 Gambar 4.4 Perbandingan Data Beban Nol dan Hubung Singkat 81