BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA

BAB II GENERATOR SINKRON 3 FASA

2.1 Umum Banyak energi listrik yang dibangkitkan dengan menggunakan generator sinkron. Oleh sebab itu generator sinkron memegang peranan penting dalam sebuah pusat pembangkit listrik. Mesin Sinkron dapat bekerja sebagai generator apabila kumparan jangkarnya (stator) menghasilkan daya arus bolak-balik. Generator sinkron (alternator) merupakan sebuah mesin sinkron yang berfungsi mengubah energi mekanik berupa putaran menjadi energi listrik bolak-balik (AC). Definisi generator sinkron, mempunyai makna bahwa 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. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet (medan putar) 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 yang berat dan tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu saklar terhubung dengan jala-jala oleh sebab itu diperlukan suatu alat bantu start (prime mover) .Generator sinkron dibagi menjadi dua jenis, yaitu generator sinkron 1 fasa dan generator sinkron 3 fasa [4].

6

2.2 Konstruksi Generator Sinkron Konstruksi generator sinkron sama dengan motor sinkron yaitu mesin sinkron pada dasarnya generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik bolak-balik . 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 yang berkaitan. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat berputarnya rotor dan tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke stator. Pada Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari sebuah generator sinkron secara umum :

Gambar 2.1 Konstruksi generator sinkron secara umum A. Rotor Rotor merupakan bagian berputar yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang menghasilkan tegangan dan akan di induksikan ke stator. Pada rotor

7

terdapat kutub-kutub magnet dengan lilitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin geser dan sikat. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu : 1.) Rotor yang berbentuk kutub sepatu (salient pole) 2.) Rotor yang 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 rugi-rugi arus Eddy, kumparankumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang serta 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 2.2 berikut :

Gambar 2.2 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron

8

Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang. 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 : a. Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi. b. Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.

2. Rotor kutub tak menonjol dengan celah udara sama rata (Rotor Silinder)

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 dienerjais oleh eksiter. Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.3 berikut:

Gambar 2.3 Rotor Kutub tak Menonjol Generator Sinkron

9

Dimana rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : a. Slip Ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Dibuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke-slip ring ini kemudian dihubungkan kesumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring. b. 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. c. 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. d. Poros Rotor Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.

10

B. Stator Stator adalah bagian generator yang diam dan berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus bolak-balik (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 dan meminimalisir tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi beban apapun. Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk dan di laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Pada Gambar 2.4 berikut memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar

Gambar 2.4 Inti dalam Stator dan Alur Pada Stator

11

Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu: a. Rangka stator Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar generator. b. Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetic khusus terpasang ke rangka stator. c. Alur (slot) dan Gigi Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup seperti pada gambar 2.5 berikut :

Gambar 2.5 Bentuk-bentuk alur

d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar) Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi [5].

12

2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron 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 fluksi yang besarnya terhadap waktu adalah tetap. 2. Unit penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga memutar rotor pada kecepatan nominalnya persamaan (2.1) dimana :

𝑛𝑛 =

120𝑓𝑓 𝑝𝑝

…………(2.1)

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 berubahubah 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 berikut

dimana :

𝑑𝑑∅

𝑒𝑒 = −𝑁𝑁 𝑑𝑑𝑑𝑑 ………………. 𝑒𝑒 = −𝑁𝑁

𝑑𝑑∅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 sin 𝜔𝜔𝜔𝜔 𝑑𝑑𝑑𝑑

……..

(2.2)

(2.3)

13

𝑒𝑒 = −𝑁𝑁𝑁𝑁∅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ….. (2.4) 𝜔𝜔 = 2𝜋𝜋𝜋𝜋 ………………… (2.5) 𝑒𝑒 = −𝑁𝑁(2𝜋𝜋𝜋𝜋)Ø𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 cos 𝜔𝜔𝜔𝜔 …. (2.6) 𝑛𝑛𝑛𝑛

𝑓𝑓 = 120 …………………….. (2.7) 𝑒𝑒 = −𝑁𝑁 �2𝜋𝜋

𝑛𝑛𝑛𝑛 � Ø𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 120

cos 𝜔𝜔𝜔𝜔 ……… (2.8)

𝑛𝑛𝑛𝑛

𝐸𝐸𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑁𝑁 �2.3,14. 120 � Ø𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 …

(2.9)

….. (2.10)

…….. (2.11)

…………. …(2.12)

𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝐶𝐶𝐶𝐶Ø ………………(2.13) Dimana: E = ggl induksi (Volt)

N = Jumlah belitan

C = Konstanta

p = Jumlah kutub

n = Putaran (rpm)

f = Frequensi (Hz)

Ø = Fluks magnetik (weber) 14

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 0

besarnya sama tapi berbeda fasa 120 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik [2].

2.4 Reaksi Jangkar Bila generator sinkron (alternator) melayani beban yang terhubung ke terminal generator maka pada belitan stator akan mengalir arus, sehigga timbul medan magnet pada belitan stator yang akan berinteraksi dengan medan rotor. Medan magnet ini akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan belitan rotor sehingga menghasilkan fluks resultan. Seperti yang dijelaskan pada Gambar 2.6 :

Gambar 2.6 Model Reaksi Jangkar

15

Pada Gambar 2.6.a. Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi Ea. Bila generator melayani beban dengan induktif, maka arus pada stator akan tertinggal seperti pada Gambar 2.6.b. Arus stator tadi akan meghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan stator Estat, seperti pada Gambar 2.6.c. Vektor penjumlahan antara BS dan BR akan menjadi Bnet dan penjumlahan Estat dan Ea, akan menghasilkan Ø, V pada terminal jangkar.

Saat beban terhubung ke beban induktif, arus jangkar akan tertinggal

terhadap tegangan jangkar. Arus pada belitan stator akan menghasilkan medan magnet Bs, yang kemudian kan menghasilkan tegangan stator Estat. Dua tegangan yaitu tegangan jangkar Ea dan tegangan reaksi jangkar Estat akan menghasilkan Vt , dimana ditunjukkan pada persamaan (2.14) V t = Ea + Estat .............................................................(2.14) Tegangan Reaksi Jangkar E stat = - j X Ia Sehingga persaman 2.14 dapat ditulis kembali pada persamaan (2.15). Vt = Ea-jXIa .................................................................(2.15) Selain pengaruh reaksi jangkar ini, pengurangan tegangan induksi generator sinkron juga karena adanya tahanan Ra dan Induktansi belitan stator Xa, ,dan penjumlahan X dan Xa sering disebut Reaktansi Sinkron Xs, sehingga persamaan (2.15) dapat ditulis kembali sebagai persamaan (2.16). V t = Ea-jXIa-jXaIa- IaRa ................................................(2.16) Lalu menjadi persamaan (2.17)

16

Vt = Ea-jXsIa- IaRa..........................................................(2.17) Dimana: Vt = Tegangan terminal jangkar

Ra = Tahanan Jangkar

Ea = Tegangan Jangkar

BS = Medan Magnet Stator

Estat = Tegangan Reaksi Jangkar

BR = Medan Magnet Rotor

Xs = Reaktansi Sinkron Ia = Arus Jangkar [4].

2.5 Sistem Eksitasi Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri dari dua sistem 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). Berikut sistem eksitasi menggunakan sikat: 1. Sistem Eksitasi Konvensional (Menggunakan Generator Arus Searah)

17

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 di stator 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 2.7 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator arus searah.

18

Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Menggunakan Generator Arus Searah

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, magnet 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.

19

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 2.8 berikut adalah sistem eksitasi statis.

Gambar 2.8 Sistem eksitasi 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.

20

Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat : 1. 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 2.9 berikut:

Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai Dari Gambar 2.9 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

21

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).

2. Sistem 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 2.10 dapat dilihat bentuk skematik dari sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator.

22

Gambar 2.10 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 [9].

2.6 Rangkaian Ekivalen Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari tahanan Ra dan induktansi XIa maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti Gambar 2.11

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen generator sinkron

23

Dengan melihat Gambar 2.11 maka tegangan generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.18). Ea = V + jXarIa + jXLaIa + Ra Ia……….................................................(2.18) Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis pada persamaan (2.19) Vt = Ea – jXarIa – jXLaIa – Ra Ia ..............................................................(2.19) Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = Xar + XLa , maka menjadi persamaan (2.20). Vt = Ea – jXsIa – RaIa [Volt]…..….........................................................(2.20) Dimana: Vt = Tegangan Terminal

Ia = Arus Jangkar

Ea = Tegangan Induksi

Ra = Tahanan Jangkar

Xs = Reaktansi Sinkron

Xar = Reaktansi Jangkar

XLa = Reaktansi Fluks Bocor

Gambar 2.12 Penyederhanaan rangkaian ekivalen generator sinkron

Karena tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron adalah tegangan bolak-balik tiga fasa maka gambar yang menunjukkan hubungan

24

tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan pada Gambar 2.13 berikut:

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen generator sinkron 3 fasa Sementara itu, rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa untuk tiap jenis hubungan ditunjukkan oleh Gambar 2.14 berikut ini:

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen belitan stator generator sinkron 3 fasa (a). Belitan-Y, (b). Belitan-∆ [8].

25

2.7 Rangkaian Belitan 2.7.1 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 2.15 Belitan satu lapis (Single Layer Winding).

Gambar 2.15 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 [5].

26

2. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding). Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada Gambar 2.15 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 2.16 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan [5].

Gambar 2.16 Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding)

27

2.7.2 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. Bentuk rotor yang terdapat pada generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut

(a) Rotor Kutub Menonjol

(b) Rotor Silinder

Gambar 2.17 Bentuk Rotor

2.8 Karakteristik Generator Sinkron 3 Fasa 2.8.1 Karakteristik Beban Nol Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki langkah-langkah sebagai berikut :

28

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:

Gambar 2.18 Rangkaian Test Tanpa Beban

Dari Gambar dapat diperoleh persamaan umum generator pada persamaan (2.21). E0 = Vt + Ia (Ra + jXs).......................................(2.21) Pada hubungan generator terbuka (beban nol), Ia = 0. Maka persamaannya menjadi persamaan (2.22). E0 = Vt = CnØ …......................................…..(2.22) Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Ø yang dihasilkan hanya Øf. Sehingga menjadi persamaan (2.23)

E0 = CnØf .........................................................(2.23) Dari persamaan (2.23) menjadi persamaan (2.24) E0 = CnIf.......................................................... (2.24) Nilai Cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi persamaan (2.25) E0 = k1.If.......................................................... (2.25)

29

Dimana: E0 = Tegangan pada saat beban nol

Ia = Arus Jangkar

C = Konstanta

n = Jumlah Putaran

If = Arus Medan

Ra = Tahanan Jangkar

Xs = Reaktansi Sinkron Pengujian beban nol terkait dengan karakteristik beban nol yaitu hubungan antara tegangan induksi Ea dengan arus penguat /eksitasi If . pada pengujian beban nol, rotor generator diputar pada kecepatan nominal dan terminal jangkar dalam keadaan terbuka. Arus medan If diatur bertahap nol hingga diperoleh harga tegangan induksi Ea. bersekitar kurang lebih 125% dari tegangan nominal generator. Pada kondisi ini arus jangkar Ia = 0 dan tegangan induksi Ea = Vt. sehingga pembacaan tegangan induksi jangkar dengan pengaruh variasi medan eksitasi digambarkan 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,

30

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 [5].

2.8.2 Karakteristik Hubung Singkat 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 (If) pada nol c.) Hubung singkat terminal d.) Ukur arus armatur (Ia) pada setiap peningkatan arus medan (If) Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan pada Gambar 2.20 berikut.

Gambar 2.20 Rangkaian Hubung Singkat

31

Dari Gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah persamaan (2.26) Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)............................................

(2.26)

Pada saat generator sinkron dihubung singkat, Vt = 0 dan Ia = Isc . Maka persamaan menjadi persamaan (2.27) Ea = Isc (Ra + jXs) ......................................... (2.27) Ea = CnØ maka persamaan nya menjadi persamaan (2.28). CnØ = Isc (Ra + jXs)....................................... (2.28) Karena Cn dan (Ra + jXs ) bernilai konstan, maka persamaan nya menjadi persamaan (2.29) Cn = k1........................................................... (2.29) sehingga menjadi persamaan (2.30) (Ra + jXs) = k2.............................................. (2.30) Sehingga menjadi persamaan (2.31) k1.If = Isc. k2.................................................

(2.32)

sehingga menjadi persamaan (2.33) 𝐾𝐾

𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠 = 𝐾𝐾1 𝐼𝐼𝑓𝑓 .......................................................... 2

(2.34)

Pengujian hubung singkat terkait dengan karakteristik hubung singkat yaitu hubungan antara arus jangkar Ia dengan arus penguat/eksitasi If. Pada pengujian hubung singkat mula-mula arus medan dibuat menjadi nol dan terminal jangkar dihubung singkat. Lalu arus jangkar diperbesar dengan menaikkan secara bertahap arus medan hingga tercapai nilai arus jangkar maksimum.

32

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 [5].

Gambar 2.21 Karakteristik Hubung Singkat

Ketika generator dihubung singkat, arus armatur pada persamaan (2.35) 𝐼𝐼𝑎𝑎 = 𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠 = 𝑅𝑅

𝐸𝐸𝑎𝑎

𝑎𝑎 +𝑗𝑗 𝑋𝑋𝑠𝑠

........................... (2.35)

Harga Mutlaknya adalah pada persamaan (2.36) 𝐼𝐼𝑎𝑎 =

𝐸𝐸𝑎𝑎

�𝑅𝑅𝑎𝑎2 +𝐽𝐽𝑋𝑋𝑠𝑠2

.................................(2.36)

Dimana: Isc =Arus Hubung Singkat

Ia = Arus Jangkar

C = Konstanta

n = Jumlah Putaran

If = Arus Medan

Ra = Tahanan Jangkar

Xs = Reaktansi Sinkron

Ea = Tegangan Induksi

33

2.8.3 Karakteristik Berbeban Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron berbeban antara lain sebagai berikut : a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n) b.) Beban (ZL) terpasang pada terminal generator sinkron c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If) yang terlihat pada gambar 2.22 berikut:

Gambar 2.22 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban

Dari Gambar 2.22 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban pada persamaan (2.37) Ea = Vt + Ia (Ra + jXs)........................ (2.37) Sehingga menjadi persamaan (2.38) Vt = Ea - Ia (Ra + jXs) ........................ (2.38) Dimana : Vt = Tegangan Terminal

Ia = Arus Jangkar

Ra = Tahanan Jangkar

Xs = Reaktansi Sinkron

Ea = Tegangan Induksi

34

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar bersifat reaktif karna itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm). reaktansi ini bersamasama dengan reaktansi fluks bocor (Xa) yang dikenal dengan reaktansi sinkron (Xs). Pada generator berbeban, Ia = IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap.terlihat pada gambar 2.23 di bawah ini:

Gambar 2.23 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban

Watak berbeban suatu generator sinkron merupakan penggambaran dari hubungan antara tegangan terminal (Vt) dan arus medan (Ia) dimana beban generator tetap, dan jumlah putaran tetap [5].

2.9 Pengaturan Tegangan Terminal

Gambar 2.24 Prinsip Kerja Generator sinkron 3 fasa

35

Dimana tegangan terminal dituntut untuk bekerja stabil dalam sistem. Seperti pada gambar 2.24 Seiring perubahan beban maka akan mengalir arus beban (Ia) yg berubah-ubah sesuai dengan perubahan beban. Yang berpengaruh pada tahanan (Ra) dan reaktansi sinkron (Xs) atau yang disebut dengan impedansi sinkron (Zs). arus beban akan merubah harga tegangan induksi jangkar (Ea) sesuai dengan persamaan (2.20) yaitu Vt = Ea - Ia (Ra + jXs). oleh sebab itu untuk menjaga tegangan terminal agar tetap stabil seiring dengan perubahan arus beban yaitu dengan mengatur tegangan induksinya (Ea). dimana tegangan induksi seperti persamaan (2.13) dimana Ea=CnØ pada beban nol. Sehingga untuk mengatur tegangan induksi dilakukan dengan mengatur jumlah putaran (n) dan fluksi magnetik (Ø). Pengaturan jumlah putaran mengakibatkan Penggerak mula (Prime Mover). karena kecepatan putaran rotor diputar dengan menggunakan energi mekanis yang berasal dari penggerak mula. Penggerak mula dioperasikan dengan menggunakan energi primer (Ep) dan energi sekunder (Es) yang berhubungan dengan bahan bakar. Sedangkan pengaturan fluksi magnetik berdasarkan eksitasi yang diberikan. Yaitu dengan memberikan tegangan DC (Vf) pada kumparan medan. Pada rangkaian tertutup akan mengalir arus DC (If). Arus DC yang mengalir pada kumparan medan akan menimbulkan medan magnet (B) yang menghasilkan Fluksi yang besarnya sama terhadap waktu. Ketika rotor diputar oleh penggerak mula maka fluks akan ikut berputar sehingga akan timbul medan putar yang akan memotong kumparan jangkar sehingga dihasilkan ggl induksi pada kumparan stator akibat adanya peristiwa induksi elektromagnetik.

36

2.10 Rugi-Rugi Generator Sinkron Rugi-rugi yangterdapat pada generator sinkron dibagi menjadi beberapa bagian diantaranya : 1. Rugi-rugi tembaga rotor dan stator (copper losses) 2. Rugi-rugi inti (core losses) 3. Rugi-rugi mekanik (mechanical losses) 4. Rugi-rugi nyasar (stray losses) Rugi-rugi angin dan gesekan dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk dari bagian yang berputar, rancangan sudu kipas rotor, desain bantalan (bearing) dan susunan rumah (housing) mesin. Rugi yang hilang tersebut berupa daya yang diperlukan untuk memutarkan kipas guna mensirkulasi udara pendingin dan gesekan bantalan dan sikat. Rugi-rugi inti dan besi (Pi ) disebabkan oleh fluksi utama mesin dan terjadi terutama pada gigi-gigi stator (jangkar), pada bagian inti jangkar dekat gigi-gigi stator dan pada permukaan kutub rotor. Inti stator umumnya dibentuk dari laminasi tipis baja silikon yang terisolasi satu sama lain untuk membatasi rugirugi histeresis dan arus eddy pada baja. Rugi-rugi mekanik dan inti sering digabung bersama yang disebut dengan rugi-rugi beban nol pada mesin. Pada keadaan beban nol, daya input mesin digunakan untuk mengatasi rugi-rugi ini. Oleh karena itu pengukuran daya input stator. 2

Rugi-rugi tembaga rotor (PRCL = If .Rf) dihitung dari arus medan dan 0

tahanan arus searah dari kumparan penguat pada suhu 75 C. Jatuh tegangan pada cincin kolektor sikat umumnya diabaikan, tapi bisa juga disertakan dalam rugi-

37

2

rugi penguat. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (PSCL = 3IA .RA) pada umumnya dihitung dari tahanan arus searah kumparan jangkar pada suhu 75

0

Gambar 2.25 Diagram Aliran daya Generator sinkron

Dari gambar 2.25 dapat dilihat bahwa persamaan (2.39) di bawah ini: 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = √3𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑥𝑥𝐼𝐼𝑙𝑙 𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥…….. (2.39)

Maka semakin baik faktor daya yang dihasilkan maka daya out put juga semakin besar, dengan kata lain rugi – rugi yang dihasilkan menjadi lebih kecil. Maka dari Persamaan 2.39 dapat disimpulkan semakin baik faktor daya, maka efisiensi yang dihasilkan juga semakin baik [1].

2.11 Pengaruh Faktor Daya Terhadap Regulasi dan Efisiensi Adapun faktor yang menjadi keunggulan generator sinkron dibandingkan dengan generator yang lain adalah tingkat regulasi tegangan (VR) adalah suatu ukuran kemampuan dari sebuah generator untuk menjaga tegangan terminal tetap konstan walaupun terjadi perubahan beban. Regulasi tegangan dapat didefenisikan dengan persamaan (2.40)

38

𝑉𝑉𝑉𝑉 =

𝐸𝐸𝑓𝑓 −𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑉𝑉𝑡𝑡

Dimana:

𝑥𝑥100%.............(2.40)

Ef = Tegangan terminal generator pada saat beban nol Vt = Tegangan terminal generator pada saat beban penuh [volt] Seperti halnya dengan mesin-mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka efisiensi generator sinkron dapat dituliskan sebagai persamaan (2.41). 𝜂𝜂 = 𝑃𝑃

𝑃𝑃𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

+𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖

dimana :

𝑥𝑥100% ............(2.41)

Pin = Pout + Σ rugi P Pout = daya keluaran P in = daya masukan

2.12 Faktor Daya Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu: •

Daya semu (S), VA (Volt Amper)

•

Daya aktif (P), Watt

•

Daya reaktif (Q), VAR (Volt Amper Reaktif) Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus

sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt. Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban.

39

Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat, VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik/industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik.

Gambar 2.26 Segitiga Daya

Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total (lihat Gambar 2.26). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya

selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Faktor daya menggambarkan sudut phasa antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya yang rendah merugikan karena mengakibatkan arus beban tinggi. Perbaikan faktor daya ini menggunakan kapasitor [5].

40

Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah faktor daya dari cos φ1 menjadi cos φ2 dapat ditentukan dengan persamaan (2.42) ΔQ = P Tan (φ1 – φ2) VAR ...................... (2.42)

Gambar 2.27 Perbaikan Faktor Daya Kemudian besar nilai kapasitornya dapat dihitung dengan persamaan (2.43) ∆𝑄𝑄

∆𝐶𝐶𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 3𝑉𝑉 2 2𝜋𝜋𝜋𝜋 = 𝜇𝜇𝜇𝜇 ………. (2.43)

Dimana :

φ1 : adalah faktor daya sebelum diperbaiki φ2 : adalah faktor daya sesudah diperbaiki ΔCperfasa : Besar nilai kapasitor perfasa ΔQ : Jumlah daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya (VAR) 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 factor daya beban, seperti pada Gambar 2.28 , diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya

41

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)

(b)

(c) Gambar 2.28 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah (a) Induktif, (b) Resistif, (c) Kapasitif.

42

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 [8].

2.13 Regulasi Tegangan Jika pada sebuah generator dilakukan pengukuran tegangan dalam keadaan tanpa beban dan berbeban, ternyata terdapat perbedaan dari hasil pengukuran tersebut. Dimana terlihat bahwa dengan berubahnya beban maka tegangan terminal dari generator juga akan berubah. Perubahan besarnya (magnitude) tegangan tidak hanya tergantung dari besarnya beban, tetapi juga dipengaruhi cos φ beban.

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). Dimana tegangan pada terminal dari generator sinkron tergantung dari beban yang terpasang dan juga faktor daya (power factor) beban tersebut. Pengaturan tegangan ini dinyatakan dalam persen (%) dari tegangan nominal dan perbedaan tegangan bukan secara vektor, tetapi besaran yang dinyatakan dalam persamaan (2.44) 𝑉𝑉𝑉𝑉 =

diketahui:

𝐸𝐸𝑓𝑓 −𝑉𝑉𝑡𝑡 𝑉𝑉𝑡𝑡

𝑥𝑥100% ………(2.44)

VR = Regulasi Tegangan

Vt = Tegangan Terminal

Ef = Tegangan Induksi

43

Perlu dicatat bahwa E0 - VFL adalah selisih aritmatik bukan selisih fasor. Faktor – faktor yang mempengaruhi regulasi tegangan sebuah generator sinkron antara lain :

a.) Jatuh tegangan akibat IaRapada belitan jangkar b.) Jatuh tegangan akibat I aXL c.) Perubahan tegangan akibat reaksi jangkar Gambar 2.29 menunjukkan pengaruh perubahan beban terhadap perubahan tegangan terminal dengan faktor daya (power factor) yang berbeda.

Gambar 2.29 Pengaruh Perubahan beban terhadap tegangan terminal

Dari Gambar 2.29 dapat dilihat bahwa perubahan tegangan terminal karena reaksi jangkar bergantung pada arus beban (IL) dan faktor daya (PF) dari beban. Untuk beban dengan faktor daya mendahului (leading), tegangan terminal tanpa beban lebih kecil daripada tegangan terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi tegangan bernilai negatif. Untuk beban dengan faktor daya tertinggal (lagging), tegangan terminal tanpa beban lebih besar daripada tegangan terminal beban penuh.

44

Maka, regulasi tegangan bernilai positif. Sedangkan untuk beban dengan faktor daya 1 (unity), nilai tegangan terminal tanpa beban hampir sama dengan nilai tegangan terminal beban penuh. Oleh karena itu, regulasi tegangan bernilai mendekati 0 persen [5].

2.14 Penentuan Parameter Generator Sinkron 3 Fasa Dari test : - Ea dari test beban nol (Open Circuit) - Ia dari test hubung singkat (Short Circuit) Diperoleh Reaktansi Xd (d-axis) sehinga di dapat persamaan 𝑋𝑋𝑑𝑑 =

Dari test :

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

- tegangan dan arus dari Test Slip Diperoleh Reaktansi Xq (q-axis) sehinga di dapat persamaan 𝑋𝑋𝑑𝑑 =

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎)

𝑋𝑋𝑞𝑞 =

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎)

Dari Test Berbeban :

- Vt (Tegangan Terminal)

Ef = Tegangan Beban Nol

- Ia (Arus Jangkar)

VR = Regulasi Tegangan

- Pout (Daya Output)

η = Efisiensi

45

2.15 Metode Penentuan Tegangan Terminal Generator Sinkron 2.15.1 Metode Blondel (Two Reaction Theory) Dalam pengaturan tegangan dengan metode EMF, Reaksi jangkar dihitung dengan cara diekivalensikan terhadap tegangan reaktansi jangkar, dalam bentuk ini adalah pengembangan dari konsep reaktansi sinkron. Ini memungkinkan hanya digunakan pada mesin non salient pole. Dimana celah udaranya dianggap uniform dan reluktansi rangkaian magnetik adalah benar-benar konstan. Dalam mesin salient pole, mmf jangkar tidak dapat ditentukan hanya dengan mengandalkan reaktansi ekivalennya, karena celah udaranya tidak uniform dan reluktansi sepanjang kutub d-axis lebih kecil dari q-axis [3]. Perbedaaan harga reluktansi dalam kutub dan antar kutubnya membuat analisa mesin rotor salient pole benar-benar berbeda dari mesin rotor silinder. Disini pengaruh salient pole dapat dihitung dengan bantuan two reaction theory seperti yang diusulkan oleh BLONDEL. Teori ini menyatakan bahwa arus jangar I harus diselesaikan dalam bentuk dua komponen, yakni Fad (Id), dalam waktu qaxis dengan Ef (sebagai komponen magnetising atau demagnetising) yang hanya menghasilkan perubahan kekuatan fluksi medan. Komponen yang kedua, adalah Faq (Iq) yang sefasa dengan Ef (cross magnetising) dan hanya menghasilkan distorsi dari fluksi medan [6].

46

Gambar 2.30 Diagram fasor teori dua reaksi dari mesin sinkron salient pole komponen mmf jangkar Fad dan Faq dapat diambil sebagai komponen yang dihasilkan oleh arus jangkar I yang sefasa denga Fad dan Faq, misalnya masingmasing Id dan Iq. Dimana :

Id = I sin θ .........................

(2.45)

Iq = I cos θ............................ (2.46) Θ = sudut fasa internal ingat bahwa banyaknya d-axis adalah satu, sehingga efek magnetiknya sepanjang sumbu kutub medan. Dalam hal ini, Fad dan Id berada pada d-axis. Banyaknya sumbu q-axis juga adalah satu dimana Faq dan Iq berada pada q-axis tersebut. Pada metode EMF, mmf jangkar ditempatkan oleh q-axis yang lagging terhadap tegangan induksi. Dengan demikian, komponen mmf jangkar dapat diuraikan menjadi Ead dan Eaq dengan lagging 90o, terhadap masing-masing Fad dan Faq (Id dan Iq). Dari gambar 2.30 diatas , Ead adalah tegangan induksi dari kumparan jangkar ke d-axis dari reaksi jangkar Fad, sehingga dapat ditulis: Ead = -j.C.Kd.Fad = -j.Xad.Id.........................

(2.47)

Eaq = -j.C.Kq.Faq = -j.Xaq.Iq......................... (2.48)

47

Disini Xad dan Xaq adalah sebanding dengan konstanta dan dapat didesain sebagai reaktansi jangkar pada masing-masing d-axis dan q-axis. Drop tegangan reaktansi Xat pada kumparan dapat ditulis: -j.I.Xat = -j ( Id + Iq ).Xat = -j. Id. Xat . j . Iq . Xat ........ (2.49)

Disini drop tersebut boleh dikombinasikan dengan ekivalen reaksi jangkar emd untuk menentukan reaktansi sinkron d dan q-axis. Dengan demikian,

Xd = Xat + Xad = reaktansi sinkrin pada d-axis ....... (2.50) Xq = Xat + Xaq = reaktansi sinkrin pada q-axis ........ (2.51)

Reaktansi leakage jangkar Xat sudah dianggap sama pada d-axis dan q-axis.

a. diagram fasor dua reaksi generator sinkron

b. Versi yang disederhanakan

Gambar 2.31 Diagram fasor dua reaksi generator sinkron disederhanakan Jadi yang perlu diingat dan dicatat perbedaan metode emf dengan metode dua reaksi, metode emf memperkenalkan konsep reaktansi sinkron (Xs) yang dihitung untuk seluruh reaktansi jangkar, sedangkan metode dua reaksi memperkenalkan konsep dua reaksi, satu diasosiasikan dengan d-axis komponen dari mmf jangkar, dan satu lagi dengan q-axis komponen mmf jangkar. Dari gambar 2.30 dapat ditulis :

48

Ef = Vt + Ia.R + j . Id . Xd + j . Iq . Xq ..............

(2.52)

Dalam menggunakan diagram fasor gambar 2.30 arus jangkar I, harus diselesaikan dalam komponen d-axis dan q-axis. Prosedur ini seperti yang telah dianalisa dalam mengambil persamaan dimana diproleh harga Ef. Dengan demikian, pengaturan tegangan untuk generator sinkron salient pole dapat dicari [3]. Dimana: Vt = Tegangan Terminal

R = Tahanan jangkar

Xq = Reaktansi q-axis

Ef = Tegangan Induksi

Id = Arus pada d-axis

Xd = Reaktansi d-axis

Ia = Arus Jangkar

Iq = Arus pada q-axis

1. Menghitung Xd Pengukuran reaktansi sinkron pada d-axis (Xd), dapat ditentukan dari test beban nol dan test hubung singkat. Dimana persamaannya adalah : 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

𝑋𝑋𝑑𝑑 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎

ℎ𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

……. (2.53)

2. Menghitung Xq Sedangkan untuk mengukur reaktansi sinkron pada q-axis (Xq) dapat ditentukan dengan beberapa cara, yakni: •

Dengan metode test slip

•

Test arus lagging maksimum

a. Dengan metode test slip Dari Test ini, harga Xd dan Xq dapat ditentukan. Caranya dengan memutar mesin sinkron pada suatu kecepatan dibawah harga kecepatan sinkronnya.

49

Kumparan medannya, tetap dibiarkan dalam keadaan terbuka, kemudian kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan yang direduksi 20% bsampai 40% dari harga ratingnya, dan rate frekuensinya dipengaruhi melalui terminal jangkar. Pada kondisi ini kecepatan relatif konstan antara kutub medan dengan mmf jangkar, adalah sama dengan perbedaan antara kecepatan sinkronnya dengan kecepatan rotornya. Sehingga dikenal juga dengan test slip. Pada suatu keadaan dimana bentuk gelombang mmf jangkar segaris dengan sumbu kutub medan. Maka reluktansi yang diberikan oleh mmf jangkar adalah minimum, dan pada keadaan ini tegangan terminal jangkar sefasa dibagi oleh arus yang dihasilkannya, akan memberikan harga Xd.

Gambar 2.32 Osilograph Test Slip Setelah ¼ siklus gelombang slip, bentuk gelombang mmf jangkar berada pada q-axis , dimana reluktansinya yang yang dihasilkan mmf jangkar adalah maksimum. Pada keadaan ini perbandingan antara tegangan terminal jangkar perfasa dengan hubungannya arus jangkar perfasa akan memberikan harga Xq. 𝑋𝑋𝑑𝑑 =

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 ) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 )

…….. (2.54)

50

𝑋𝑋𝑞𝑞 =

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 ) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 )

……….(2.55)

Karena tegangan terminal jangkar yang digunakan adalah kecil (tidak menghasilkan harga saturasi), maka harga reaktansi yang ditentukanpun harga yang belum mencapai saturasi. Dalam test ini harga slip dibuat sekecil mungkin sehingga harga yang diperoleh kurang sesuai, karena harga reaktansi yang diperoleh tergantung dari kejenuhan inti dan slip. Dengan demikian test ini hanya cocok digunakan untuk menentukan perbandingan antara Xd dan Xq. Jadi harga Xd yang digunakan adalah dari test beban nol dan hubung singkat [3]. Maka Xq dapat dicari dengan : Misalkan :

Xd’ = reaktansi d-axis dari test slip Xq’ = reaktansi q-axis dari test slip Xd = reaktansi d-axis dari test beban nol dan hubung singkat

Maka:

𝑋𝑋 𝑑𝑑 𝑋𝑋𝑞𝑞

=

𝑋𝑋𝑞𝑞 =

𝑋𝑋 𝑑𝑑 ′ 𝑋𝑋𝑞𝑞 ′

𝑋𝑋𝑞𝑞 ′

𝑋𝑋 𝑑𝑑 ′

…………..(2.56) . 𝑋𝑋𝑑𝑑 ………(2.57)

b. Test Arus Lagging Maksimum pada test ini, sebuah mesin sinkron disinkronkan dengan sebuah infinite bus, dan bekerja dengan kecepatan sinkronnya dengan beban nol ( dimana motor sinkron akan menjadi motor reluktansi). Dan arus medan, polaritasnya dibalik untuk selanjutnya dihubungkan kembali ke terminal medannya. Arus medan yang telah dibalik polaritasnya ini, dinaikkan kembali sampai dicapai rotor berhenti. Pada saat ini dicatat arus jangkar I, tegangan terminal jangkar Vt (ketika arus

51

jangkar maksimum dan stabil). dan reaktansi sinkronnya, diberikan oleh persamaan : 𝑋𝑋𝑞𝑞 =

𝑉𝑉𝑉𝑉 (𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ) 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 (𝐼𝐼)

…….(2.58)

Keuntungan dari metode ini, adalah harga Xq yang dihasilkan mendekati harga sebenarnya [3].

52