BAB II 2 DASAR DASAR TEORI TEORI 2.1 Umum Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator sinkron (altenator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik diperoleh dari proses dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya. Generator sinkron dengan defenisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor. Generator arus bolak balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu: a. Generator arus bolak balik 1 fasa b. Generator arus bolak balik 3 fasa
Sebelum membahas tentang generator sinkron, terlebih dahulu kita mengetahui tentang generator listrik. Generator listrik adalah suatu mesin listrik dimana dalam proses kerjanya melakukan pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik. Generator listrik dan motor listrik mempunyai kesamaan, yaitu sama-sama memanfaatkan induksi listrik yang terjadi di dalam kedua perangkat/sistem. Akan tetapi fungsi dari kedua sistem tersebut berbeda, dimana motor listrik melakukan konversi energi listrik menjadi mekanik. 2.2 Defenisi Generator Sinkron Generator sinkron merupakan salah satu jenis generator listrik dimana terjadi proses pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik, (sama seperti generator listrik) yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang memotong suatu medan elektromagnetik yang dihasilkan di stator sehingga kemudian menyebabkan timbulnya energi listrik. Induksi elektromagnetik yang terjadi dalam generator merupakan bentuk aplikasi nyata dari Hukum Faraday yang menyatakan: 1. Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari sebuah medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi. 2. Perubahan flux magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.
Sedangkan jika dijabarkan dengan persamaan matematisnya, persamaannya adalah sebagai berikut: e induksi d N (2.1) dt dimana, e induksi : tegangan induksi elektromagnetik (GGL induksi) N : jumlah lilitan d dt : laju perubahan fluks magnetik (wb/s) Keterangan : Nilai atau tanda minus (-) pada lilitan merupakan bentuk penerapan dari Hukum Lenz yang mengatakan: Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik. 2.3 Konstruksi Generator Sinkron Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari dua bagian yang diam (stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu pada generator sinkron terdapat bagian yang memisahkan antara rotor dan stator yang biasa disebut dengan celah udara yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke stator.
Gambar 2.1 Konstruksi Generator Sinkron secara umum 2.3.1 Stator Stator (armature) adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui stator. Komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : 1. Rangka Stator Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang merupakan inti jangkar generator sinkron. 2. Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi laminasi baja campuran atau besi magnetik khusus yang terpasang kerangka stator.
3. Alur (slot) dan Gigi Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan jangkar. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu, terbuka, setengah terbuka, dan tertutup. Ketiga bentuk alur (slot) tersebut tampak seperti Gambar 2.2 Bentuk - bentuk alur (slot) 4. Kumparan Stator ( Kumparan Jangkar) Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan bagian dimana timbulnya ggl induksi. 2.3.2 Rotor Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu: a. Slip Ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasang ke slip ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.
Gambar 2.3.1 Slip Ring Motor b. Kumparan Rotor (Kumparan Medan) Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu. Gambar 2.3.2 Kumparan Rotor c. Poros Rotor Gambar 2.3.3 Poros Rotor
Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap poros rotor. Pada generator sinkron terdapat 2 (dua) jenis tipe rotor yaitu : rotor kutub menonjol dan rotor kutub tak menonjol ( cylindrical rotors). Rotor kutub menonjol biasanya dihubungkan dengan turbin hydrolic putaran rendah sedangkan rotor kutub tak menonjol biasanya dihubungkan pada turbin putaran tinggi. 1. Rotor kutub menonjol (Salient pole rotors) 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. Belitanbelitan 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 2.4 Rotor kutub menonjol (sileant poles)
Rotor kutub menonjol pada umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120 400 rpm). Generator seperti ini biasanya dikopel dengan mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan pada putaran rendah dan sedang karena : Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi. Konstruksi rotor kutub menonjol akan mengalami rugi rugi yang besar dan menimbulkan polusi suara jika diputar dengan kecepatan tinggi. 2. Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors) Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri yang di enerjais oleh eksiter. Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugirugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor). Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.4 berikut : Gambar 2.5 Rotor kutub tak menonjol (cylindrical rotors)
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan 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 di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih baik rotor kutub menonjol. Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi. 2.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron Apabila generator sinkron melayani beban,,maka pada kumparan jangkar mengalir arus, dan arus ini menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangar yang ditimbulkan arus ( ) akan berinteraksi dengan yang dihasilkan kumparan medan rotor ( ), sehingga menghasilkan fluks resultan ( ) (2.2) Adanya interaksi ini dikenal sebagai reaksi jagkar. berikut : Kondisi reaksi jangkar untuk berbagai macam jenis beban adalah sebagai Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Jenis beban : Tahanan (resistif). ф A Jenis tegak beban lurus : terhadap Tahanan ф(resistif). F tegak lurus terhadap (a). Beban Resistif
Arus jangkar (I) terlebih dahulu θ dari GGL (E). Jenis beban : Kapasitif ф A terbelakang dengan sudut (90 θ) (b). Beban Kapasitif Arus jangkar (I) terdahulu 90 dari GGL (E). Jenis beban : Kapasitif murni ф A memperkuat ф F, terjadi pengaruh pemagnetan. (c). Beban Kapasitif Murni Arus jangkar (I) terbelakang 90 dari GGL (E). Jenis beban : Induktif murni ф A memperlemah ф F, terjadi pengaruh pendemagnetan. (d). Beban induktif Murni Gambar 2.6 Reaksi Jangkar terhadap beban
Terlihat bahwa reaksi jangkar pada alternator bergantung pada jenis beban yang dilayani,, dengan perkataan lain bergantung pada sudut fasa antara arus jangkar (I) dan tegangan induksi (GGL). 2.5 Prinsip Kerja Generator Sinkron Generator dapat menghasilkan energi listrik karena adanya pergerakan relatif antara medan magnet homogen terhadap kumparan jangkar pada generator (magnet yang bergerak dan kumparan jangkar diam, atau sebaliknya magnet diam sedangkan jangar bergerak). Jadi, jika kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet homogen maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut medan magnet homogen ini bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau magnet tetap. Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut : 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. Dimana : (2.3) ns 120. f p ns = 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 (2.4) dan Persamaan (2.5) berikut : e N dф dt (2.4) e N dф msin ωt dt N ωф m Cosωt Bila : ω 2πf N 2πf ф m Cosωt Bila : f np 120 N 2π np 120 ф mcosωt np N 2.3,14. 120 ф mcosωt np E m N 2.3,14. 120 ф m E eff E maks 2 np N 2.3,14. 120 ф m 2 4,44Npnф m 120
Dimana : 4,44Npnф m 120 c Sehingga didapat persamaan : E eff cnф m (2.5) Dimana : = ggl induksi (volt) = Fluks magnet (Wb) n c = jumlah lilitan = konstanta Untuk generator sinkron tiga fasa, 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 1200 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.
2.6 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Stator merupakan group belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitanbelitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu belitan konduktor akan mengandung tahanan (R) dan induktansi (L), maka belitan stator akan mengandung tahanan stator (Ra) dan induktansi sendiri (Lf). Akibat adanya pengaruh reaktansi reaksi jangkar Xa dan reaktansi bocor jangkar X maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti gambar berikut:. Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Dengan melihat Gambar 2.7 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator sinkron sebagai berikut : E a V jx ar I a jx la I a R a I a (2.6) Dan dengan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis V E a jx ar I a jx la I a R a I a (2.7)
Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau dapat dilihat pada Gambar 2.7 maka persamaan menjadi : V E A jx s I a R a I a ( Volt (2.8) Dimana : = Tegangan eksitasi (volt) = Tahanan Belitan (Ohm) = Induktansi Belitan Medan (Henry) = Tahanan Variabel (Ohm) = Ggl yang dibangkitkan generator sinkron (Volt) = Tegangan terminal generator sinkron (Volt) = Reaktansi armatur (ohm) X = Reaktansi bocor (ohm) = Reaktansi sinkron (ohm) = Arus Jangkar (Ampere) Gambar 2.8 Penyederhanaan Rangkaian Generator Sinkron
Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa 2.7 Metode Pengaturan Tegangan 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. Selain itu, arus eksitasi juga harus dijaga konstan. Maka, akan diperoleh harga tegangan pada beban nol (E0) sehingga regulasi tegangan dapat dihitung. Untuk mesin mesin besar, metode yang digunakan untuk menentukan regulasi tegangan dengan cara langsung sering kali tidak 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: a. Metode impedansi sinkron (EMF) b. Metode ampere lilit (MMF) c. Metode Potier (zero power factor) d. Metode New ASA (American Standard Association) : Dimana untuk setiap metode tersebut diperlukan data data sebagai berikut 1. Tahanan Jangkar Tahanan jangkar Ra per phasa ditentukan dengan menggunakan metode pengukuran langsung dan bernilai searah (DC). Harga tahanan jangkar efektif (AC) lebih besar daripada nilai DC ini karena adanya skin effect. Untuk memperoleh nilai efektifnya, nilai hasil pengukuran (nilai DC) biasanya dikalikan faktor kali : 1,3 (2.9) 2. Karakteristik beban nol atau open circuit characteristic (OCC). Sama seperti kurva magnetisasi pada suatu mesin DC, karakteristik beban nol dari suatu generator sinkron adalah kurva antara tegangan terminal jangkar (tegangan phasa phasa) pada keadaan hubungan terbuka dan arus medan ketika generator sinkron (alternator) bekerja pada kecepatan nominal. 3. Karakteristik hubung singkat atau short circuit characteristic (SCC).
Karakteristik hubung singkat (SCC) ditentukan dengan cara terminal terminal armatur dihubung singkat melalui amperemeter dan arus medan (If) dinaikkan secara bertahap dari nol hingga diperoleh arus hubung singkat (ISC) bernilai hampir dua kali arus nominal. Selama test ini kecepatan yang mungkin bukan kecepatan sinkron harus dijaga konstan. Untuk metode Portier faktor daya adalah nol. Tidak diperlukan pembacaan lebih dari sekali karena SCC merupakan suatu garis lurus yang melewati titik awal. Hal ini disebabkan karena tahanan jangkar Ra lebih kecil daripada reaktansi sinkron (Xs), arus hubung singkat (ISC) tertinggal hampir sebesar 90º terhadap tegangan terinduksi Vf. Akibatnya, fluks armatur (Φa) dan fluks medan (Φf ) berlawanan arah sehingga fluks resultan (ΦR) bernilai kecil. Karena (ΦR) bernilai kecil, pengaruh saturasi akan diabaikan dan arus hubung singkat (ISC) berbanding lurus dengan arus medan melebihi batas (range) dari nol sampai melampaui arus nominal. 2.8 Efek Perubahan Beban Pada Generator yang Beroperasi Sendiri Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan arus saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang berpengaruh terutama oleh faktor daya beban, seperti pada Gambar di bawah ini, diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan terminal setelah beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan terminal pada saat awal.
a. Beban Induktif b. Beban Resistif c. Beban Kapasitif Gambar 2.10 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan, maka tegangan terminal cenderung membesar. Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea, karena Ea=K. фω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai fluksi tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubahubah. Selain besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai dengan faktor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal generator yang stabil. Gambar 10 menunjukkan contoh hubungan antara Arus Jangkar Il dan Arus Medan If untuk tiga jenis faktor daya, dalam hal ini contoh generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kv dan daya 400 MVA. Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus diberikan berbeda-beda tergantung pada faktor daya beban.
Gambar 2.11 Kurva arus jangkar VS Arus medan untuk tiga faktor daya Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri: 1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban. 2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya yang dihasilkan. 3. Pengaturan Arus Medan akan mempengaruhi nilai tegangan terminal. BAB III 3 METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Penelitian dilaksanakan selama dua bulan pada bulan Februari sampai Maret 2017.