BAB 3. MESIN DC – (Karakteristik Generator DC) Dipandang dari sisi suplai arus, secara umum mesin DC dapat dibedakan menjadi: - Generator DC → mensuplai daya ke luar - Motor DC → disuplai daya dari luar Dilihat dari konstriksinya, secara umum mesin DC dapat dibagi menjadi: - Mesin DC Shunt - Mesin DC Seri - Mesin DC Kompon (kompon panjang/ pendek, kompon kumulatif/ diferensial) Model konstruksi berbagai mesin DC dapat dilihat pada gambar 2.0 di bawah.
(i)
(ii)
(iv)
(iii)
(v)
(vii)
(vi)
(viii)
Gambar 2.0 Berbagai konfigurasi Mesin DC (i) Mesin DC Shunt (ii) Mesin DC Seri (iii) Mesin DC Kompon Pendek (Kompon Kumulatif) (iv) Mesin DC Kompon Panjang (Kompon Kumulatif) (v), (vi) Mesin DC Kompon Pendek Diferensial (vii), (viii) Mesin DC Kompon Panjang Diferensial
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 1
3.1 Generator DC Kecepatan operasi mesin DC jenis generator adalah tetap yaitu sesuai dengan penggerak mula (prime mover). Pada operasi untuk penggunaan umum, penggerak mula dilengkapi dengan pengatur kecepatan (speed governor) sehingga kecepatan generator praktis konstan. Dalam kondisi seperti itu, kinerja yang ditawarkan pembangkit terutama dalam hubungan antara eksitasi, tegangan dan beban terminal. Untuk mempermudah melihat hubungan tersebut, digunakan bentuk grafis yang memperlihatkan kurva yang dikenal sebagai karakteristik pembangkit. Karakteristik ini sekilas menunjukkan perilaku generator pada kondisi beban yang berbeda. 3.2 Karakteristik Generator DC Karakteristik penting generator DC: OpenCircuit Characteristic (OCC), Kurva memperlihatkan hubungan antara pembangkit emf pada keadaan tanpa beban (E0) dan arus medan (If) pada kecepatan konstan. Hal ini juga dikenal sebagai kurva jenuh (saturasi) karakteristik magnetik atau tanpa beban. Bentuknya praktis sama untuk semua generator baik untuk eksitasi-terpisah atau eksitasi-sendiri. Data untuk kurva OCC diperoleh dari ekpsperimen menggunakan generator tanpa-beban dan kecepatan konstan, kemudian mencatat perubahan tegangan terminal sebagai variasi arus medan. Karakteristik Internal atau Karakteristik Total (E/Ia), Kurva memperlihatkan hubungan antara pembangkitan emf pada keadaan berbeban (E) dan arus jangkar (Ia). e.m.f. E kurang dari E0 karena efek demagnetisasi reaksi jangkar. Oleh karena itu, kurva ini akan terletak di bawah karakteristik sirkuit terbuka (OCC). Karakteristik internal yang menarik terutama untuk desainer. Hal ini tidak dapat diperoleh secara langsung dengan eksperimen. Hal ini disebabkan voltmeter tidak bisa membaca e.m.f. yang dihasilkan pada beban karena drop tegangan resistans jangkar. Karakteristik internal dapat diperoleh dari karakteristik eksternal jika belitan resistans diketahui karena efek reaksi jangkar meliputi kedua karakteristik. Karakteristik Eksternal (V/IL), Kurva ini menunjukkan hubungan antara tegangan terminal (V) dan arus beban (IL). Tegangan terminal V akan kurang dari E karena drop tegangan di sirkuit jangkar. Oleh karena itu, kurva ini akan terletak di bawah karakteristik internal. Karakteristik ini sangat penting dalam menentukan kesesuaian generator untuk tujuan tertentu. Hal ini dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran secara simultan tegangan terminal dan arus beban (dengan voltmeter dan ammeter) dari generator terbebani.
3.3 Karakteristik Untai Terbuka Generator DC O.C.C. untuk Generator DC ditentukan sebagai berikut. Belitan medan dari Generator DC (seri atau shunt) diputus dari mesin dan dieksitasi secara terpisah dari sumber dc eksternal seperti yang ditunjukkan pada Gambar. (3.1) (ii). Generator dijalankan pada kecepatan tetap (yaitu, kecepatan normal). Medan arus (If) dinaikkan dari nol dalam langkah-langkah dan nilainilai yang sesuai dari yang dihasilkan emf (E0) dibaca pada voltmeter yang dihubungkan pada terminal jangkar. Ketika memplot hubungan antara E0 dan If, diperoleh karakteristik rangkaian terbuka seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.1) (i).
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 2
(i)
(ii) Gambar 3.1
Poin-poin berikut dapat dicatat dari O.C.C .: - Ketika arus medan adalah nol, ada beberapa emf yang dihasilkan OA. Hal tersebut disebabkan oleh sisa magnetisme (sering disebut dengan magnet sisa) dalam kutub medan. - Pada rentang yang cukup lebar medan arus (hingga ke titik B dalam kurva), kurva linear. Hal ini karena dalam kisaran ini, keengganan (reluktan) besi dapat diabaikan dibandingkan dengan celah udara. Reluktan celah udara konstan oleh karena itu linear. - Setelah titik B pada kurva, reluktan besi juga hadir ke dalam gambar. Hal tersebut karena pada kepadatan fluks tinggi, µr pada besi mengalami penurunan dan reluktan besi tidak lagi diabaikan. Akibatnya, kurva menyimpang dari hubungan linear. - Setelah titik C pada kurva, kejenuhan magnetik kutub dimulai dan E0 cenderung mendatar (level off). O.C.C.dari generator eksitasi-sendiri diperoleh dengan menjalankannya sebagai generator eksitasi-terpisah. 3.4 Karakteristik Generator Eksitasi Terpisah Kerugian yang jelas dari generator dc eksitasi-terpisah adalah bahwa kita memerlukan sumber DC eksternal untuk eksitasi, tetapi karena tegangan output dapat dikendalikan lebih mudah dan mempunyai rentang yang luas (dari nol sampai maksimum), maka jenis eksitasi seperti ini ditemukan di banyak aplikasi.
Gambar 3.2
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 3
(i) Karakteristik Untai Terbuka (Open Circuit) O.C.C. generator eksitasi terpisah ditentukan dengan cara yang dijelaskan dalam Sec. (3.2/2.4). Gambar. (3.2/2.2) menunjukkan variasi yang dihasilkan e.m f. pada tidak ada beban dengan arus medan untuk berbagai kecepatan tetap. Perhatikan bahwa jika nilai kecepatan konstan dinaikkan, kecuraman kurva juga meningkat. Ketika arus medan adalah nol, magnetisme sisa di kutub akan menimbulkan ggl awal kecil seperti yang ditunjukkan. (ii) Karakteristik Internal dan Eksternal Karakteristik eksternal generator terpisah dieksitasi adalah kurva antara tegangan terminal (V) dan beban IL saat ini (yang sama dengan arus dinamo dalam kasus ini). Untuk menentukan karakteristik eksternal, sirkuit set up seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.3) (i). Sebagai arus beban meningkat, tegangan terminal jatuh karena dua alasan: (a) Reaksi jangkar melemahkan fluks utama sehingga emf aktual dihasilkan E pada beban kurang dari yang dihasilkan (E0) pada tidak ada beban. (b) Ada penurunan tegangan resistansi jangkar (=ILRa = IaRa). Karena alasan tersebut, karakteristik eksternal adalah kurva terkulai [kurva 3 pada Gambar. 3.3 (ii)]. Perhatikan bahwa dalam ketiadaan reaksi jangkar dan jangkar drop, yang dihasilkan emf akan menjadi E0 (kurva 1). Karakteristik internal dapat ditentukan dari karakteristik eksternal dengan menambahkan penurunan ILRa dengan karakteristik eksternal. Hal ini karena penurunan reaksi jangkar termasuk dalam karakteristik eksternal. Kurva 2 adalah karakteristik internal generator dan jelas harus berada di atas karakteristik eksternal.
(i)
(ii) Gambar 3.3
3.5 Pembangkitan Tegangan di Generator yang Self-Excited (Eksitasi-Sendiri) Akan kita lihat bagaimana tegangan build-up pada generator yang eksitasi-sendiri. (i) Generator Shunt Mempertimbangkan generator shunt. Ketika generator dijalankan pada kecepatan konstan, beberapa emf akan dihasilkan karena ada magnet sisa di kutub utama. E.m.f. kecil ini mengedarkan arus medan yang pada gilirannya menghasilkan fluks tambahan memperkuat fluks sisa yang asli (kolom yang disediakan koneksi belitan yang benar). Proses ini berlanjut dan Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 4
generator membangun tegangan yang dihasilkan secara normal mengikuti OCC seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.4) (i). Hambatan medan dapat diwakili oleh garis lurus melewati titik asal seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.4) (ii). Kedua kurva dapat ditunjukkan pada diagram yang sama karena mereka memiliki ordinat yang sama [Lihat Gambar. 3.4 (iii)]. Karena sirkuit medan bersifat induktif, ada penundaan dalam peningkatan arus saat menutup peralihan rangkaian medan. Laju ketika arus meningkat tergantung pada tegangan yang tersedia untuk meningkatkan itu. Misalkan pada setiap saat, arus medan adalah i (= OA) dan meningkat pada laju di / dt. kemudian, = dengan:
+
= resistan untai medan total = induktan untai medan
Pada anggapan seketika, total e.m.f. yang tersedia adalah AC [Lihat Gambar. 3.4 (iii)]. Sejumlah AB dari c.m.f. AC yang diserap oleh drop tegangan dan bagian sisanya BC tersedia untuk mengatasi L di / dt. Karena tersedia kelebihan tegangan ini, memungkinkan arus medan untuk meningkatkan nilai OA. Namun, pada titik D, tegangan yang tersedia adalah OM dan semua diserap oleh drop i . Akibatnya, arus medan tidak dapat meningkat lebih lanjut dan generator berhenti membangkitkan.
(i)
(ii) Gambar 3.4
(iii)
Kita sampai pada kesimpulan yang sangat penting bahwa tegangan yang dibangun generator diberikan oleh titik persimpangan OCC dan garis resistansi medan. Jadi pada Gambar. (3.4) (iii), D adalah titik perpotongan dua kurva. Oleh karena itu generator akan membangun sebuah tegangan OM. (ii) Generator Seri Selama operasi awal, dengan belum adanya arus yang mengalir, tegangan sisa akan dihasilkan persis seperti dalam kasus generator shunt. Tegangan sisa akan menyebabkan arus mengalir melalui seluruh untai seri ketika untai ditutup. Selanjutnya tegangan akan dibangun menuju titik ekuilibrium (keseimbangan) yang benar-benar analog dengan pembangkitan pada Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 5
generator shunt. Grafik tegangan pembangkitan akan mirip dengan generator shunt kecuali bahwa sekarang arus beban (bukan arus medan shunt untuk generator) akan diambil sepanjang sumbu x. (iii) Generator Kompon Ketika generator kompon memiliki fluks medan seri membantu fluks medan shunt, mesin dikatakan kompon kumulatif. Ketika bidang seri terhubung secara terbalik sehingga medan fluksnya berlawanan dengan fluks medan shunt, generator kemudian menjadi kompon diferensial. Cara termudah untuk membangkitkan tegangan di generator kompon adalah mulai starting dalam keadaan tidak ada beban. Pada keadaan tanpa beban, hanya medan shunt yang berpengaruh. Ketika tanpa beban pembangkitan tegangan dicapai, generator diberi beban. Jika di bebani, tegangan naik, berarti koneksi bidang seri kumulatif. Jika tegangan turun secara signifikan, sambungan membentuk formasi kompon diferensial. 3.6 Resistan Medan Kritis untuk Generator Shunt Kita telah melihat di atas bahwa tegangan yang dibangkitkan di dalam generator shunt tergantung pada resistans untai medan. Jika resistansi untai medan R1 (garis OA), maka generator akan membangkitkan sebuah tegangan OM seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.5). Jika resistansi untai medan meningkat menjadi R2 (garis OB), generator akan membangkitkan sebuah tegangan OL, sedikit lebih kecil dari OM. Sebagaimana resistan untai medan meningkat, kemiringan garis resistan juga meningkat. Ketika garis resistan medan menjadi tangen (bersinggungan) (garis OC) dengan OCC, generator hanya akan tereksitasi. Jika resistansi untai medan meningkat melampaui titik ini (katakanlah garis OD), generator akan gagal untuk eksitasi. Resistansi untai medan diwakili oleh garis OC (bersinggungan dengan OCC) disebut resistan medan kritis RC untuk generator shunt. Ini dapat didefinisikan seperti di bawah: Resistan untai medan maksimum (untuk kecepatan tertentu) dengan generator shunt yang hanya akan tereksitasi, dikenal sebagai resistan medan kritis. → Perlu dicatat bahwa generator shunt akan membangkitkan tegangan hanya jika resistan untai
medan kurang dari resistan medan kritis.
Gambar 3.5 3.7 Resistan Kritis untuk Generator Seri Gambar. (3.6) menunjukkan tegangan yang dibangkitkan dalam generator seri. Berikut R1, R2 dll. merupakan resistan total untai (hambatan beban dan gulungan resistan medan). Jika resistan untai total adalah R1, maka generator seri akan membangkitkan sebuah tegangan OL. Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 6
Garis OC bersinggungan dengan O.C.C. dan mewakili resistan kritis RC untuk generator seri. Jika resistansi total dari rangkaian tersebut lebih dari RC (katakanlah garis OD), generator akan gagal untuk membangkitkan tegangan. Perhatikan bahwa Gambar. (3.6) mirip dengan Gambar. (3.5) dengan perbedaan sebagai berikut: (i) Pada Gambar. (3,5), R1, R2 dll. mewakili resistan untai medan keseluruhan. Namun, R1, R2 dll pada Gambar. (3.6) merupakan resistan untai total (hambatan beban dan medan seri belitan resistan dll). (ii) Dalam Gambar (3,5), arus medan saja digambarkan sepanjang sumbu-X. Namun, pada Gambar. (3.6) arus beban IL digambarkan di sepanjang sumbu-Y. Perhatikan bahwa dalam generator seri, arus medan = beban IL arus.
Gambar 3.6 3.8 Karakteristik Generator Seri Gambar. (3.7) (i) menunjukkan koneksi dari generator belitan seri. Karena hanya ada satu arus (yang yang mengalir melalui seluruh mesin), arus beban adalah sama dengan arus yang mengeksitasi.
Gambar 3.7
(i) O.C.C Kurva 1 menunjukkan karakteristik untai terbuka (OCC) dari generator seri. Hal ini dapat diperoleh secara eksperimental dengan mencabut gulungan medan dari mesin dan mengeksitasi menggunakan sumber DC terpisah seperti yang dibahas di Sec 3.2. Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 7
(ii) Karakteristik Internal Kurva 2 menunjukkan karakteristik total atau karakteristik internal generator seri. Ini memberikan hubungan antara emf E yang dihasilkan pada beban dan arus jangkar. Karena reaksi jangkar, fluks dalam mesin akan lebih kecil daripada fluks tanpa beban. Oleh karena itu, e.m.f. E yang dihasilkan pada kondisi beban akan kurang dari emf yang E0 yang dihasilkan pada kondisi tanpa beban. Akibatnya, kurva karakteristik internal terletak di bawah kurva OCC; perbedaan diantara keduanya mewakili efek reaksi jangkar [Lihat Gambar. 3.7 (ii)]. (iii) Karakteristik Eksternal Kurva 3 menunjukkan karakteristik eksternal generator seri. Ini memberikan hubungan antara tegangan terminal dan arus beban IL : V=E-
(
+
)
Oleh karena itu, kurva karakteristik eksternal akan terletak di bawah kurva karakteristik internal dengan jumlah yang sama dengan penurunan Ohmic [yaitu, ( + ) dalam mesin seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.7) (ii).
Gambar 3.8 Karakteristik internal dan eksternal DC seri generator dapat diplot satu sama lain seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.8). Misalkan kita diberi karakteristik internal generator. Biarkan OC garis mewakili resistan dari seluruh mesin yaitu + . Jika arus beban adalah OB, maka drop tegangan pada mesin adalah AB, yaitu: AB = drop Ohmic pada mesin = OB(
+
)
Sekarang peningkatan tegak lurus dari titik B dan menandai titik b pada baris ini sehingga ab = AB. Maka titik b akan terletak pada karakteristik eksternal generator. Setelah prosedur yang sama, poin lain dari karakteristik eksternal dapat ditemukan. Sangat mudah untuk melihat bahwa kita juga bisa mem-plot karakteristik internal dari karakteristik eksternal. 3.9 Karakteristik Generator Shunt Gambar (3.9) (i) menunjukkan koneksi dari generator belitan shunt. Arus jangkar terpecah menjadi dua bagian; sebuah sebagian kecil mengalir melalui belitan medan shunt sementara bagian utama menuju ke beban eksternal. Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 8
(i) O.C.C. O.C.C. dari generator shunt mirip bentuknya dengan generator seri seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.9) (ii). Garis OA merupakan resistan untai medan shunt. Ketika generator dijalankan pada kecepatan normal, akan membangkitkan sebuah tegangan OM. Pada saat tanpa beban, tegangan terminal generator akan konstan (= OM) yang diwakili oleh garis putus-putus horisontal MC. (ii) Karakteristik Internal Ketika generator dibebani, fluks per kutub berkurang karena reaksi jangkar. Maka, emf E yang dihasilkan pada beban lebih kecil dari e.m.f. yang dihasilkan tanpa beban. Akibatnya, karakteristik internal (E/ Ia) turun ke bawah sedikit seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.9) (ii).
Gambar 3.9 (iii) Kurva 2 menunjukkan karakteristik eksternal generator shunt. Ini memberikan hubungan antara terminal tegangan V dan arus beban IL. V=E-
=E-(
+
)
Oleh karena itu, kurva karakteristik eksternal akan terletak di bawah kurva karakteristik internal dengan jumlah yang sama dengan penurunan sirkuit jangkar [yaitu, (IL + Ish) Ra] seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.9) (ii). Catatan. Ini dapat dilihat dari karakteristik eksternal yang berubah dalam tegangan terminal mulai tanpa beban sampai beban penuh adalah kecil. Tegangan terminal dapat selalu dipertahankan konstan dengan menyesuaikan rheostat medan R secara otomatis. 3.10 Resistan Eksternal Kritis pada Generator Shunt Jika resistansi beban di terminal generator shunt menurun, maka beban meningkat arus? Namun, ada batas sampai peningkatan arus beban dengan penurunan resistan beban. Setiap penurunan resistan beban di luar titik ini, bukan meningkatkan arus, akhirnya menghasilkan berkurang arus. Akibatnya, karakteristik eksternal berubah kembali (kurva putus-putus) seperti ditunjukkan pada Gambar. (3.10). Tangen OA untuk kurva merupakan hambatan eksternal minimum yang diperlukan untuk eksitasi generator shunt pada beban dan disebut resistensi eksternal kritis. Jika resistan dari untai eksternal kurang dari resistan eksternal kritis (diwakili Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 9
oleh garis singgung OA pada Gambar. 3.10), mesin akan menolak untuk eksitasi atau akan deeksitasi jika sudah running. Ini berarti hambatan eksternal sangat rendah hampir mebuat hubung singkat mesin dan menjauh dari eksitasinya.
Gambar 3.10 Catatan. Ada dua resistensi kritis untuk pembangkit shunt yaitu, resistan medan kritis (I), (ii) hambatan eksternal kritis. Untuk generator shunt untuk membangkitkan tegangan, sebelumnya tidak boleh melebihi dan yang terakhir tidak boleh menuju bawah. 3.11 Bagaimana Menggambar O.C.C. pada Kecepatan Berbeda Jika kita diberi O.C.C. dari generator pada kecepatan N1 konstan, maka kita dapat dengan mudah menarik OCC setiap N2 kecepatan konstan lainnya. Gambar (3.11) menggambarkan prosedur. Di sini kita diberi O.C.C. pada kecepatan konstan N1. Hal ini diinginkan mencapai menemukan O.C.C. dengan kecepatan konstan N2 (diasumsikan bahwa N1 < N2). Untuk eksitasi konstan, E N.
=
atau E2 = E1
Gambar 3.11 Seperti ditunjukkan dalam Gambar. (3.11), untuk If = OH, E1 = HC. Oleh karena itu, nilai baru e.m.f. (E2) untuk If sama tetapi pada N2 i
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 10
E2 = HC
= HD
Ini menempatkan titik D pada O.C.C. baru di N2. Demikian pula, titik lainnya dapat ditemukan mengambil nilai yang berbeda dari If. Tempat titik-titik ini akan menjadi O.C.C. di N2. 3.12 Kecepatan Kritis (NC) Kecepatan kritis generator shunt adalah kecepatan minimum di bawah ini yang gagal untuk eksitasi. Jelas, itu adalah kecepatan yang resistan medan shunt yang diberikan merupakan resistan kritis. Pada Gambar. (3.12), kurva 2 sesuai dengan kecepatan kritis karena garis resistan medan shunt (Rsh) adalah tangensial terhadapnya. Jika generator berputar pada kecepatan penuh N, OCC baru bergerak ke atas dan garis R'sh menggambarkan resistan kritis untuk kecepatan ini.
Gambar 3.12 Kecepatan
Resistan Kritis
Dalam rangka mencari kecepatan kritis, diambil sembarang titik C yang cocok pada sumbu eksitasi dan tegak lurus sehingga memotong Rsh dan R'sh garis pada masing-masing titiktitik B dan A. kemudian, = atau =N 3.13 Kondisi Pembangkit Tegangan Generator Shunt Kondisi yang diperlukan untuk tegangan build-up di generator shunt adalah: (i) Harus ada beberapa magnet sisa dalam kutub pembangkit. (ii) Koneksi dari gulungan medan harus sedemikian rupa sehingga arus medan memperkuat magnet sisa. (iii) Hambatan dari rangkaian medan harus lebih kecil dari resistan kritis. Dengan kata lain, kecepatan generator harus lebih tinggi dari kecepatan kritis. 3.14 Karakteristik Generator Kompon Dalam generator kompon, baik eksitasi seri dan shunt digabungkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. (3.13). Belitan shunt dapat dihubungkan langsung di sepanjang Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 11
jangkar saja (short-shunt connection S = kompon pendek) atau di sepanjang jangkar ditambah medan seri (long-shunt connection G = kompon panjang). Generator kompon dapat dijadikan generator kompon kumulatif atau kompon diferensial. Yang terakhir ini jarang digunakan dalam praktek. Oleh karena itu, kita akan membahas karakteristik generator kompon-kumulatif. Dapat dicatat bahwa karakteristik eksternal generator kompon shunt panjang dan pendek hampir identik. Karakteristik Eksternal Gambar. (3.14) menunjukkan karakteristik eksternal generator kompon secara kumulatif. Eksitasi seri membantu eksitasi shunt. Derajat kompon tergantung pada peningkatan eksitasi seri dalam meningkatkan arus beban.
Gambar 3.13 (i) Jika kumparan belitan seri begitu disesuaikan, maka dengan meningkatnya arus beban tegangan terminal aka meningkat pula, hal ini disebut generator over-compound. Dalam kasus seperti itu, karena arus beban meningkat, mmf medan seri meningkat dan cenderung meningkatkan fluks sehingga menghasilkan tegangan. Peningkatan tegangan yang dihasilkan lebih besar dari drop sehingga bukannya menurun, meningkatnya tegangan terminal ditunjukkan oleh kurva A pada Gambar. (3.14). (ii) Jika kumparan belitan seri begitu disesuaikan, maka dengan meningkatnya arus beban, tegangan terminal secara substansial tetap konstan, hal itu disebut generator flat-compound. Belitan seri mesin tersebut memiliki jumlah yang lebih kecil dari kumparan mesin komponlebih, karena itu, tidak meningkatkan fluks sebanyak arus beban yang diberikan. Akibatnya, tegangan beban penuh hampir sama dengan tegangan tanpa beban seperti yang ditunjukkan oleh kurva B pada Gambar (3.14). (iii) Jika belitan medan seri memiliki jumlah yang lebih kecil dari kumparan pada mesin kompon-datar, tegangan terminal jatuh dengan meningkatnya arus beban seperti yang ditunjukkan oleh kurva C Gambar. (3.14). Mesin seperti ini disebut generator under-compound.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 12
Gambar 3.14 3.15 Regulasi Tegangan Perubahan tegangan terminal generator antara beban penuh dan tanpa beban (dengan kecepatan konstan) disebut regulasi tegangan, biasanya dinyatakan sebagai persentase dari tegangan pada beban penuh. % regulasi tegangan = Dengan
100
= Tegangan terminal generator tanpa beban = Tegangan terminal generator beban penuh
Perhatikan: bahwa pengaturan tegangan generator ditentukan dengan untai medan dan kecepatan dipertahankan konstan. Jika pengaturan tegangan generator adalah 10%, itu berarti bahwa tegangan terminal meningkat 10% karena perubahan beban dari beban penuh ke tanpa beban. 3.16 Operasi Paralel Generator DC Dalam pembangkit listrik DC, listrik biasanya dipasok dari beberapa pembangkit berkapasitas kecil yang terhubung secara paralel, bukan dari satu generator besar. Hal ini disebabkan beberapa alasan berikut: (i) Continuity of service (Kontinuitas layanan) Jika generator tunggal yang besar digunakan dalam pembangkit listrik, maka dalam kasus kerusakannya, seluruh pabrik akan ditutup. Namun, jika daya dipasok dari sejumlah unitunit kecil yang beroperasi secara paralel, maka dalam kasus kegagalan satu unit, kontinuitas pasokan dapat dipertahankan oleh unit-unit lain yang sehat. (ii) Efficiency (Efisiensi) Generator berjalan paling efisien saat dibebani sesuai ukuran kapasitasnya. Biaya listrik kurang per kWh saat output generator dibebani secara efisien. Oleh karena itu, ketika permintaan beban pada pembangkit listrik berkurang, satu atau lebih generator dapat ditutup (shut down) dan unit yang tersisa dapat dibebani secara efisien.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 13
(iii) Maintenance and repair (Perawatan dan perbaikan) Generator umumnya memerlukan rutin pemeliharaan dan perbaikan. Oleh karena itu, jika generator dioperasikan secara paralel, operasi rutin atau darurat dapat dilakukan dengan mengisolasi generator yang bermasalah sementara beban disuplai dari unit yang lain. Ini mengacu pada keamanan dan ekonomi. (iv) Increasing plant capacity (Penambahan papasitas pembangkit) Dalam dunia modern meningkatnya populasi, penggunaan listrik terus meningkat. Ketika diperlukan penambahan kapasitas, unit baru bisa diparalelkan dengan cara sederhana dengan unit lama. (v) Non-availability of single large unit (Tidak tersedia unit tunggal yang besar) Dalam banyak situasi, satu unit berkapasitas besar yang diinginkan mungkin tidak tersedia. Dalam hal ini bahwa sejumlah unit yang lebih kecil dapat dioperasikan secara paralel untuk memenuhi kebutuhan beban. Umumnya unit tunggal yang besar lebih mahal. 3.17 Menghubungkan Generator Shunt Secara Paralel Generator di pembangkit listrik yang terhubung secara paralel melalui bus-bar. Bus-bar adalah batang tembaga tebal berat dan bertindak sebagai +Ve dan terminal -Ve. Terminal positif dari generator yang terhubung ke +Ve sisi bus-bar dan terminal negatif ke sisi negatif dari busbar. Gambar. (3.15) menunjukkan generator shunt 1 terhubung ke bus-bar dan memasok beban. Ketika beban pada pembangkit listrik meningkat melebihi kapasitas generator, generator shunt 2 dihubungkan secara paralel untuk memenuhi adanya permintaan beban meningkat. Prosedur untuk memparalelkan generator 2 dengan generator 1 adalah sebagai berikut: (i) Penggerak utama generator 2 dihidupkan hingga mencapai ukuran kecepatan. Sekarang beralih S4 di sirkuit bidang generator 2 ditutup.
Gambar 3.15 (ii) Selanjutnya pemutus sirkuit CB-2 ditutup dan eksitasi generator 2 disesuaikan sampai menghasilkan tegangan sama dengan tegangan bus-bar. Hal ini ditunjukkan pada voltmeter V2. Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 14
(iii) Sekarang generator 2 siap disejajarkan dengan generator 1. saklar utama S3, ditutup, sehingga menempatkan generator 2 secara paralel dengan generator 1. Perhatikan bahwa generator 2 tidak memasok beban apapun karena yang dihasilkan emf sama dengan bus-bar tegangan. Generator dikatakan "mengambang" (yaitu, tidak memasok listrik ke setiap beban) pada bus-bar. (iv) Jika generator 2 siap digunakan untuk memberikan aliran arus, maka tegangan E yang dibangkitkan harus lebih besar dari tegangan bus-bar V. Dalam hal ini, arus yang akan disuplai adalah I = (E - V) / Ra, dengan Ra adalah resistansi dari untai jangkar. Dengan meningkatkan arus medan (maka menginduksi emf E), generator 2 dapat digunakan untuk menyuplai ke beban dengan jumlah sesuai yang dibutuhkan. (v) Beban dapat digeser dari satu generator shunt ke generator yang lain hanya dengan menyesuaikan eksitasi medannya. Jadi jika generator 1 harus ditutup, seluruh beban bisa digeser ke generator 2 asalkan memiliki kapasitas yang cukup untuk memasok beban itu. Dalam hal ini, mengurangi arus suplai oleh generator 1 hingga mencapai nol (ini akan ditunjukkan dengan ammeter A1) dengan membuka CB 1 dan selalanjut buka juga saklar utama S1. 3.18 Load Sharing Pembagian beban antara generator shunt secara paralel dapat dengan mudah diatur karena karakteristik penurunan tegangannya. Beban dapat bergeser dari satu generator ke generator yang lain hanya dengan menyesuaikan eksitasi medan. Akan dibahas pembagian beban dua generator yang memiliki tegangan tanpa beban tidak seimbang. Biarkan E1, E2 = tanpa beban tegangan dari dua generator R1, R2 = resistansi jangkar V = tegangan terminal umum (tegangan Bus-bar) Kemudian,
=
dan
=
Dengan demikian arus keluaran dari generator tergantung pada nilai-nilai E1 dan E3. Nilai-nilai ini dapat diubah oleh rheostats medan. Tegangan terminal umum (atau bus-bar tegangan) akan tergantung pada (i) EMFs generator individu dan (ii) total arus beban disediakan. Hal ini umumnya diinginkan untuk menjaga bus-bar tegangan konstan. Hal ini dapat dicapai dengan menyesuaikan Eksitasi bidang generator beroperasi secara paralel. 3.19 Generator Kompon Paralel Generator under-kompon juga beroperasi memuaskan secara paralel, tetapi generator over-compund tidak akan beroperasi secara memuaskan kecuali bidang seri mereka diparalelkan. Hal ini dicapai dengan menghubungkan dua sikat negatif bersama-sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar. (3.16) (i). Konduktor yang digunakan untuk menghubungkan sikat ini umumnya disebut equalizer bar. Misalkan dilakukan usaha untuk mengoperasikan dua generator pada Gambar. (3.16) (ii) secara paralel tanpa bar equalizer. Jika, untuk alasan apapun, arus disuplai oleh generator 1 meningkat sedikit, arus dalam medan seri akan meningkat dan menaikkan tegangan yang dihasilkan. Hal ini akan menyebabkan generator 1 untuk mengambil lebih banyak beban. Karena beban total yang dipasok ke sistem adalah konstan, arus dalam generator 2 harus menurun dan akibatnya medan seri melemah. Karena efek ini bersifat kumulatif, generator 1 akan mengambil seluruh beban dan menyuplai generator 2 sebagai motor. Dalam kondisi seperti Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 15
itu, arus dalam dua mesin akan terarah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. (3.16) (ii). Setelah mesin 2 berubah dari generator menjadi motor, arus di medan shunt akan tetap berada pada arah yang sama, namun arus dalam jangkar dan medan seri akan berbalik arah (mundur). Dengan demikian perilaku magnetisasi tersebut membuat fluks medan seri berlawanan arah dengan medan shunt. Ketika arus yang diambil oleh mesin 2 meningkat, aksi demagnetisasi medan seri menjadi lebih besar dan resultan medan yang dihasilkan menjadi lemah. Resultan medan yang dihasilkan akhirnya akan menjadi nol dan pada saat itu mesin 2 akan menghubung-singkat mesin 1, membuka pemutus dari salah satu atau kedua mesin.
(i)
(ii) Gambar 3.16
Ketika batang (bar) equalizer digunakan, apakah tindakan stabilisasi eksis? dan mesin tidak cenderung untuk mengambil semua beban. Untuk mempertimbangkan ini, anggap arus disuplai oleh generator 1 meningkat [Lihat Gambar. 3.16 (i)]. Peningkatan arus tidak hanya akan melewati medan seri generator 1 tetapi juga melalui equalizer bar dan medan seri generator 2. Oleh karena itu, tegangan dari kedua mesin meningkat dan generator 2 akan mengambil bagian dari beban.
Ref: - Mehta, “Principles of Electrical Machines”, S.Chan & Company LTD., 2002 - Richard C. Dorf, “Systems Controls Embedded Systems Energy & Machines”, 3rd (2006)
Dasar Tenaga Elektrik
Kunt2014
Page 16
