BAB II GENERATOR SINKRON TIGA PHASA 2.1 Umum Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan generator sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembankit listrik. Generator sinkron (sering disebut alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin sinkron tidak dapat start sendiri karena kutub-kutub tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala-jala. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga phasa atau generator sinkron satu phasa.
MESIN AC MESIN a SINKRON MESIN SINKRON Gambar 2.1 Pembagian mesin AC 2.2 Konstruksi Generator Sinkron Pada prinsipnya, konstruksi Generator sinkron sama dengan motor sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke-stator. Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi sederhana dari sebuah generator sinkron secara umum :
Gambar 2.2 Konstruksi generator sinkron secara umum 2.2.1 Rotor Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan di induksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu : 1.) Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole) 2.) Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical) 1. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor) Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek. Selain itu jenis kutub salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan
membentuk kutub yang berlawanan. Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.3 berikut : Gambar 2.3 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120-400 rpm). Generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena : Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi. Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi. 2. Rotor kutub tak menonjol (Rotor Silinder) Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slotslot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub
pun sedikit yang dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada aluralur di sisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh eksiter Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugi-rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor). Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4 berikut: Gambar 2.4 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron degan kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk pembangkit listrik berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan gas. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan tinggi karena: Distribusi disekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehinggu lebih baik dari kutub menonjol. Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.
Rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : 1. Slip Ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring. 2. Sikat Sebagaian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sikron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu. 3. Kumpara rotor (kumparan medan) Kumparan medan merupakan unsure yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu. 4. Poros Rotor Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor. 2.2.2 Stator Stator atau armatur adalah bagian generator yang berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder
dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam wye dipilih karena: 1. Meningkatkan daya output. 2. Menghindari tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun. Dalam lilitan wye tegangan harmonik ketiga masing-masing fasa saling meniadakan, sedangkan dalam lilitan delta tegangan harmonik ditambahkan. Karena hubungan delta tertutup, sehingga membuat sirkulasi arus harmonik ketiga yang meningkatkan rugi-rugi (I 2 R). Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Gambar 2.5 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Gambar 2.5 Inti Stator dan Alur Pada Stator
Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga phasa, ada dua tipe yaitu: 2.3 Rangkaian Belitan Stator dan Rotor 2.3.1 Belitan Stator Ada dua jenis belitan stator yang banyak digunakan untuk generator sinkron 3 phasa, yaitu: 1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding). 2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding). 1. Belitan satu lapis (Single Layer Winding). Gambar 2.6 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi lilitan di dalam masing - masing alur. Bila kumparan tiga phasa dimulai pada Sa, Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan phasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh menunjukkan 360 derajat listrik.
Gambar 2.6 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa 2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding). Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada Gambar 2.6 hanya mempunyai satu lilitan per kutub per phasa, akibatnya masing masing kumparan hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing masing tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per phasa. Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi dalam beberapa alur per kutub per phasa. Gambar 2.7 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan.
Gambar 2.7 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa Pada masing masing alur ada dua sisi lilitan dan masing masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak ke dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang. 2.3.1 Belitan Rotor Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu : 1).Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole) 2).Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical) Perbedaan utama antara keduanya adalah salient pole rotor digerakkan oleh turbin hidrolik kecepatan rendah sedangkan cylindrical rotor digerakkan oleh turbin uap berkecepatan tinggi. Sebagian besar turbin hidrolik harus berputar pada kecepatan rendah (50 300 rpm). Salient pole rotor dihubungkan langsung ke
roda kincir dan frekuensi yang diinginkan 50 Hz. Jumlah kutub yang dibutuhkan di rotor jenis ini sangat banyak. Sehingga dibutuhkan diameter yang besar untuk memuat kutub yang sangat banyak tersebut. Cylindrical rotor lebih kecil dan efisien daripada turbin kecepatan rendah. Untuk 2 kutub, frekuensi 50 Hz, putarannya 3000 rpm. Untuk 4 kutub, putarannya 1500 rpm. Bentuk rotor yang terdapat pada generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut. (a) Rotor Kutub Menonjol (b) Rotor Silinder Gambar 2.8 Bentuk Rotor 2.4 Rangkaian Ekivalen Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari tahanan R a dan induktansi X Ia maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti Gambar 2.9.
R adj X ar X La R a V f I f R f E a I a V L f Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Dengan melihat Gambar 2.9 maka tegangan generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.1). E a = V + jx ar I a + jx La I a + R a I a...(2.1) Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.2) I a V = E a jx ar I a jx La I a R a...(2.2) Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = X ar + X La, maka menjadi persamaan (2.3). V = Ea jx s I a R a I a [Volt].....(2.3) I f jx s R a V f R f E a I a V L f Gambar 2.10 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Diagram fasor yang menunjukkan antara tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.10 dibawah ini: Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa 2.5 Perinsip kerja Adapun prinsip kerja dari suatu generator sinkron adalah: 1. 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. 2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya persamaan (2.4) 120. f n =...(2.4) p dimana : n = Kecepatan putar rotor (rpm) p = Jumlah kutub rotor f = frekuensi (Hz) 3. 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, hal tersebut sesuai dengan persamaan (2.5) dϕ e = N dt = = dϕ Sin t N maks ω dt Nωϕ makscosωt
dimana : ω = 2πf = ( 2πf ) ϕ Cos t N maks ω dimana : np f = 120 E maks np = N 2 π ϕ makscosωt 120 np = N 2.3,14. ϕ 120 maks E eff e = maks 2 = np N(2.3,14. ϕ 120 2 maks 4,44Npnϕ 4,44Np = ( = C) 120 120 = Cnϕ.....(2.5) dimana : E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan C = Konstanta n = Putaran (rpm) p = Jumlah kutub f = Frequensi (Hz) ϕ = Fluks magnetik (weber) Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 120 0 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.
2.6 Reaksi Jangkar Bila beban terhubung ke terminal generatormaka pada belitan stator akan mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator. Medan magnet ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor. Seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.12: Gambar 2.12 Model Reaksi Jangkar Pada Gambar 2.12.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi E A. Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.12.b. Arus stator tadi akan meghasilkan medan magnet sendiri B s dan tegangan stator E stat, seperti pada
Gambar 2.12.c. Vektor penjumlahan antara B s dan B R menghasilkan B net, dan penjumlahan E stat dan E A akan menghasilkan Vϕ pada terminal jangkar. Saat beban terhubung ke beban induktif, arus jangkar akan tertinggal terhadap tegangan jangkar. Arus pada belitan stator akan menghasilkan medan magnet B s, yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator E stat. Dua tegangan yaitu tegangan jangkare A dan tegangan reaksi jangkar E stat akan menghasilkan V t, dimana ditunjukkan pada persamaan (2.6) Vt = E A + E stat...(2.6) Tegangan Reaksi Jangkar Estat = -jxi a Sehingga persaman 2.6 dapat ditulis kembali pada persamaan (2.7). V t = E A - jxi a...(2.7) Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator sinkron juga karena adanya tahanan Ra dan Induktansi belitan stator X a,,dan penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga persamaan 2.7 dapat ditulis kembali sebagai persamaan (2.8). Vt = E A -jxi a -jx a I a - I a R a.....(2.8) Lalu menjadi persamaan (2.9) V t = E A -jx s I a - I a R a...(2.9)
2.7 Sistem Eksitasi 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). 2.7.1 Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah) Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh dari sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter. Generator sinkron dan generator arus serah tersebut terkopel dalam satu poros, sehingga putaran generator arus searah sama dengan putaran generator sinkron. Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan kebelitan rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik pada kumparan utama yang terletak distator generator sinkron.
Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu generator arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip ring dan sikat menimbulkan masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber arus searah padabelitan medan generator sinkron. Terdapat sikat arang yang menekan slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya. Selain itu pada generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang menekan komutator. Selama pemakaian slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur, generator arus searah juga memiliki keandalan yang rendah. Karena hal-hal seperti diatas dipikirkan hubungan lain dan dikenal apa yang dikenal sebagai generator sinkron static exciter (penguat statis). Gambar 2.12 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator arus searah. Gambar 2.13 Sistem Eksitasi Meggunakan Generator Arus Searah 2.7.2 Sistem Eksitasi Statis Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak (static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan rotor generator sinkron. Sistem eksitasi statis (static excitation sistem) atau disebut juga dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron. Sumber eksitasi
pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan output generator itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan penyearah thyristor. Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, manet sisa ini akan menimbulkan tegangan pada stator tegangan ini kemudian masuk dalam penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang dihasilkan makin besar dan tegangan AC naik demikian seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan. Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR. Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan sistem eksitasi statis memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada penggerak mula hilang. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu penyearah karena itu disebut eksiter statis. Gambar 2.14 berikut adalah sistem eksitasi statis.
Gambar 2.14 Sistem Kksitasi Statis Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini menyebabkan sistem eksitasi ini tidak efisien dan efektif. 2.7.3 Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai Sistem eksitasi tanpa sikat diaplikasikan pada generator sinkron, dimana suplai arus searah kebelitan medan dilakukan tanpa melalui sikat. Arus searah untuk suplai eksitasi untuk awal start generator digunakan suplai dari baterai, yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke belitan medan AC exiter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini disearahkan oleh penyearah yang menggunakan dioda, yang disebut rotating rectifier, yang diletakkan pada bagian poros ataupun pada bagian dalam dari rotor generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai dengan putaran rotor, seperti pada gambar 2.15 berikut:
Gambar 2.15 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai Dari Gambar 2.15 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung disalurkan kebagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki bersamasama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan penguat (eksiter). Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka catu daya DC (baterai) biasanya dilepasdan digantikan oleh penyearah. Penguatan yang dipakai adalah sistem self exitation system yaitu sistem dimana sumber daya
untuk penguatannya diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri. Gambar 2.15 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat dengan suplai tiga phasa. Gambar 2.16 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Phasa Pada Gambar 2.16, untuk membangkitkan arus medan digunakan penyearah, dimana arus yang disearahkan diperoleh dari keluaran tiga phasa generator itu sendiri melalui transformator atau sering disebut Eksitasi Transformator, berfungsi menurunkan tegangan keluaran generator untuk disuplai pada penyearah. 2.7.4 Sisten Eksitasi Menggunakan Pemanen Magnet Generator Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang berputar agar generator tersebut menghasilkan tegangan pada statornya. Medan
magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah dengan menggunakan magnet permanen sebagai sumber eksitasinya ini disebut dengan Permanen Magnet Generator (PMG). Generator sinkron yang berkapasitas besar biasanya menggunakan sistem eksitasi brushless yang dilengkapi dengan permanen magnet generator. Hal ini dimaksudkan agar sistem eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung pada sumber daya listrik dari luar mesin itu. Pada Gambar 2.17 dapat dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator. Gambar 2.17 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanen Magnet Generator Dari Gambar 2.17, bahwa pada bagian mesin yang berputar (rotor) terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator eksitasi, kumparan medan generator utama. Hal ini memungkinkan generator tersebut tidak menggunakan slip ring dan sikat dalam pengoperasiannya sehingga lebih efektif dan efisiensi.
2.8 Karakteristik Generator Sinkron Karakteristik yang dibahas pada sub bab kali ini adalah : a) Karakteristik Beban Nol b) Karakteristik Hubung singkat c) Karakteristik Berbeban 2.8.1. Karakteristik Beban Nol (E0 = E0 (If)) Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki langkah-langkah sebagai berikut : a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n) b.) Tidak ada beban yang terhubung pada terminal c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If) yang terlihat pada gambar 2.18 di bawah ini: R adj X s R a V f I f R f E 0 V t L f Gambar 2.18 Rangkaian Test Tanpa Beban
Dari Gambar dapat diperoleh persamaan umum generator pada persamaan (2.10). E 0 = V t + I a (R a + jx s )...(2.10) Pada hubungan generator terbuka (beban nol), I menjadi persamaan (2.11). E0 = Vt = cnφ.....(2.11) Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Φ yang dihasilkan hanya Φf. Sehingga menjadi persamaan (2.12) E0 = cnφ f Dari persamaan (2.12) menjadi persamaan (2.13) E0 = cni f a = 0. Maka persamaan nya...(2.12)... (2.13) Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi persamaan (2.14) E0 = k 1.I f... (2.14) Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan Vt vs If yang disebut juga dengan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open-Circuit Characteristic). Yang terlihat pada gambar 2.19 dibawah:
Gambar 2.19 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC) Dari Gambar 2.19 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva berbentuk hampir benar-benar linear. Hingga pada harga-harga arus medan yang tinggi, bentuk kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai mesin sinkron memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada reluktansi air gap. Sehingga pertama-tama hampir seluruh MMF melewati celah udara dan peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami saturasi, reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih lambat dengan peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut karakteristik air gap line. 2.8.2. Karakteristik Hubung Singkat (I sc = I sc (I f )) Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang dihubung singkat terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal b.) Atur arus medan (I f ) pada nol c.) Hubung singkat terminal d.) Ukur arus armatur (I a ) pada setiap peningkatan arus medan (If) Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar 2.20 berikut. R adj X s R a V f I f R f I a E a V t = 0 L f Gambar 2.20 Gambar Rangkaian Hubung Singkat Dari Gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah persamaan (2.15) E = V t + I a (R a + jx s )...(2.15) Pada saat generator sinkron dihubung singkat, Vt = 0 dan I a = I sc. Maka persamaan menjadi persamaan (2.16) E = Isc (R a + jx s ).... (2.16) E=cnΦ maka persamaan nya menjadi persamaan (2.17). cnφ = I sc (R a + jx s ).... (2.17)
Karena cn dan (R a + jx s ) bernilai konstan, maka persamaan nya menjadi persamaan (2.18) cn = k 1..... (2.18) sehingga menjadi persamaan (2.19) (R a + jx s ) = k 2.... (2.19) Sehingga menjadi persamaan (2.20) k 1.I f = Isc. k 2... (2.20) sehingga menjadi persamaan (2.21) Isc = k k 1 2 I f... (2.21) Pada karakteristik generator hubung singkat bentuk kurva adalah linear. Hal ini disebabkan oleh medan magnet yang terjadi sangat kecil sehingga inti besi tidak mengalami saturasi. Gambar 2.21 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik hubung singkat pada generator sinkron. Gambar 2.21 Karakteristik Hubung Singkat
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur pada persamaan (2.22) (I a ) = I sc = R a E a + jx s....(2.22) Harga Mutlaknya adalah pada persamaan (2.23) I a = I sc = R 2 a E a + jx 2 s....(2.23) 2.8.3. Karakteristik Berbeban (V = V (I f )) Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban antara lain sebagai berikut : a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n) b.) Beban (Z L ) terpasang pada terminal generator sinkron c.) Arus medan (I ) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap f d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (I f ) yang terlihat pada gambar 2.22 berikut:
R adj X s R a I f R f I a E a V t L O A D L f Gambar 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban Dari Gambar 2.22 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban pada persamaan (2.24) E a = V t + I a (R a + jx s )...(2.24) Sehingga menjadi persamaan (2.25) V t = E a - I a (R a + jx s )... (2.25) Pada generator berbeban, Ia = I L bernilai konstan karena beban (Z L ) tetap.terlihat pada gambar 2.23 di bawah ini: Gambar 2.23 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban
2.9 Penentuan Parameter Generator Sinkron Tiga Phasa Dari kedua test : - Ea dari test beban nol (Open Circuit) - Ia dari test hubung singkat (Short Circuit) Diperoleh impedansi sinkron di dapat persamaan (2.26) Zs = 2 2 E R a + jx s = I a a... (2.26) Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : Z s X s E I a a BAB III PENGARUH FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON 3 FASA 3.1 Umum 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. Selain itu, arus eksitasi juga harus dijaga konstan. Maka, akan diperoleh harga