28
BAB III SISTEM EKSITASI TANPA SIKAT DAN AVR GENERATOR 3.1
Karakteristik Generator Sinkron Terdapat dua metode untuk dapat mengetahui karakteristik generator sinkron, yaitu Analisis grafis dan pengukuran langsung. Dibawah akan di uraikan beberapa karakteristik generator sinkron. 3.1.1 Generator Tanpa Beban Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu sebesar: Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. m. T Volt,……………………………………………(3.1) Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3.1
Gambar 3.1 Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan rangkaian jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 3.2. Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai rating tegangan output terminal tercapai.
28
29
Gambar 3.2. Rangkaian Test Generator Tanpa Beban. Test Hubung Singkat Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung singkat, dan dengan Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung singkat tersebut (Gambar 3.3). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus hubung singkat Ihs dicatat.
Gambar. 3.3. Rangkaian Test Generator di Hubung Singkat.
Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam bentuk kurva karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 3.4.
Gambar 3.4. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah Generator. Untuk mencari Impedansi Sinkron yang dicari berdasarkan hasil test, adalah:
30
,………………………………………………….(3.2) 3.1.2 GeneratorBerbeban Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan yang berupa : - Resistansi jangkar Ra yang menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar. -
Reaktansi bocor jangkar Xl yang terjadi saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor.
-
Reaksi jangkar yaitu adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar ( A ) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor( F), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar : Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.5. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 3.5 Kondisi Reaksi Jangkar. Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut reaktansi Sinkron Xs. Besarnya tegangan jatuh pada Beban adalah : = I.Ra + j (I.Xa + I.XL) = I {Ra + j (Xs + XL)} = I {Ra + j (Xs)}
31
= I x Zs,………………………………………………………………………..(3.3) Rangkaian
pengganti
dari
sebuah
generator
sinkron
dapat
ditunjukkan dalam Gambar 3.6. Tampak E adalah ggl yang dibangkitkan generator, Zs adalah impedansi sinkron dan Vt adalah tegangan terminal generator dan Ig adalah arus generator.
Gambar 3.6 Rangkaian pengganti Dengan memperhatikan gambar 3.6 bisa ditentukan persamaan sebagai berikut : E = Vt + Ig(Ra + Xa) E = Vt + (Ig . Zs) Vt = E – (Ig. Zs)…………………..………………………………….(3.4) Bila nilai daya (P) dan Tegangan (V) diketahui, maka nilai arus (I) Ampere dapat ditentukan berdasarkan persamaan:
…………….……………………………………………...(3.5) 3.2
Sistem Eksitasi Tanpa Sikat Eksiter tanpa sikat (brushless exciter) adalah generator AC dengan bagian jangkar yang berputar (rotating armatur) dan medannya yang diam (stasioner). Kumparan medan stasioner dililitkan pada salient pole yang terletak pada rangka exciter. Rotating armatur yang dipasang di atas rentangan rotor
32
generator utama akan membangkitkan tegangan AC saat armatur berputar didalam medan magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub stasioner. Selanjutnya rectifier dipasang pada generator tetapi terisolasi dari generator itu sendiri. Rectifier ini berputar pada poros bersama-sama dengan exciter armatur dan rotor generator. Output AC dari exciter dihubungkan ke rotating rectifier yang outputnya dihubungkan ke medan generator utama. Pengontrolan medan generator utama dilakukan melalui medan exciter stasioner. Regulator generator ini memiliki sifat statis karena tidak ada bagianbagian yang bergerak selain relay tambahan. Regulator akan mendeteksi tegangan line generator dan menyearahkannya untuk menghasilkan supply untuk medan exciter AC. Power untuk medan exciter ini dikendalikan oleh silicon controlled rectifier yang dirangkai serf dengan medan exciter. Rangkaian detector pada regulator jkan memonitor tegangan output, dan mengubah output regulator statis sesuai dengan kebutuhan agar tegangan output generator tetap konstan (gambar 3.1).
Gambar 3.7. Skema eksitasi generator tanpa sikat 3.3
Konfigurasi Lengkap AVR. Konfigurasi lengkap, AVR ditunjukkan dalam Gambar 3.8, dengan fungsi dari bagian-bagiannya dapat dijelaskan seperti dibawah ini. a. Pengindera Tegangan (voltage sensor)
b.
Peralatan ini digunakan untuk mengindera (memantau) besarnya tegangan keluaran alternator utama setiap saat. Besanya yang di indera pada umumnya berupa tegangan efektif. Rheostat Pengatur Tegangan
33
c.
Peralatan ini digunakan untuk mengatur besarnya tegangan keluaran yang diinginkan. Tegangan Acuan (Trigger Circuit)
d.
Rangkaian ini digunakan untuk menimbulkan pulsa-pulsa penyulut thyristor-thyristor pengukur besarnya tegangan searah rang digunakan untuk penguatan. Saat penyulutan thyristor tergantung dari besarnya sinyal kesalahan yang timbul akibat perbedaan antara tegangan acuan dengan tegangan inderaan keluaran alternator. Rangkaian Pengatur Daya Penguatan
e.
Umumnya rangkaian ini berupa penyearah (rectifier) yang tersusun atas thyristor-thyristor atau kombinasi antara thyristor dan dioda. Fungsi dari rengkaian ini adalah untuk menyearahkan tegangan bolakbalik yang dihasilkan oleh sumber daya penguatan dengan keluaran berupa arus searah. Besar arus searah yang dihasilkan tergantung pada scat penyulutan oleh pulsa penyulut yang dihasilkan oleh rangkaian penyulut diatas. Rangkaian Pembanding
f.
g.
Rangkaian pembanding ini ini digunakan untuk membandingkan beberapa sinyal tegangan. Keluaran dari rangkaian ini berupa sinyal tegangan kesalahan yang dicatukan kedalam rangkaian-rangkaian lain untuk melakukan pengaturanpengaturan. Rangkaian stabilisasi Untuk mencapai kestabilan yang baik pada sistem pengaturan tegangan terhadap perubahan-perubahan sesaat (misalnya akibat pembebanan alternator secara tiba-tiba), digunakan suatu rangkaian stabilisasi. Konvensator Arus Reaktif Pada kondisi paralel antar alternator, fungsi pengindera tegangan tidak lagi efektif disebabkan saling ketergantungan antara masing-masing tegangan keluaran alternator. Rangkaian ini berfungsi mengindera arus reaktif yang disalurkan oleh suatu alternator. Melalui rangkaian ini dapat juga dilakukan pengaturan pembagian daya reaktif yang harus dipikul oleh masing-masing alternator dalam kondisi pararel.
34
Gambar 3.8. Diagram Balok AVR Elektronik yang lengkap h.
i.
Rangkaian Pengaman Frekuensi Rendah (under frequency protection UFP) Rangkaian ini digunakan untuk mencegah terjadinya penguatan lebih pada saat putaran penggerak mula (primer mover) menurun atau mulai meningkat pada saat mulai dijalankan (sebelum mencapai putaran nominal/akhir). Trafo tegangan (potensial transformator) Trafo tegangan hanya digunakan apabila besarnya tegangan keluaran alternator terlalu tinggi untuk dicatukan secara langsung kedalam rangkaian pengindera. tegangan.
j.
Trafo Arus (current transformer) Trafo arus digunakan untuk menyesuaikan besarnya arus alternator yang seclang mengalir agar sesuai dengan batas-batas operasi rangkaian kompensasi arus reaktif.
3.3.1 Tegangan Acuan Rangkaian tegangan acuan dibentuk oleh IC voltage regulator LM 733 dengan sumber daya berasal dari tegangan keluaran PMG melalui empat buah dioda penyearah D4, D5, Di , clan D2. Rangkaian
35
listrik tegangan acuan adalah sebagai berikut:
Gambar.3.9. Rangkaian Tegangan Acuan Pada gambar diatas, tampak bahwa bagian positif tegangan keluaran PMG disearahkan oleh D4 dan D5, sedangkan bagian negatif disearahkan oleh Di dan D2. Disamping itu D, clan D2 juga dimanfaatkan sebagai penyearah tegangan untuk catu daya penguat. Sebagai pembatas arus digunakan R39 dengan dioda zener Z i menjadi tegangan masukan IC-1 pada nilai 36 volt. Untuk menjamin adanya sinkronisasi antara pulsa-pulsa penyulut dengan tegangan bolak-balik keluaran PMG (sebagai sumber daya penguatan) tegangan zener Z, tersebut sengaja tidak diratakan. Tampak bahwa rangkaian tegangan acuan tidak bisa berfungsi bila kumparan penguat belum terhubung. 3.3.2 Pengindera Tegangan Rangkaian pengindera tegangan dapat dilihat pada Gambar 3.10. dibawah ini. Tegangan yang diindera berasal dari trafo tegangan T2 dan setelah clikoreksi dengan tegangan keluaran trafo T3 (kompensasi arus reaktif) disearahkan oleh dioda-dioda D 11 ,13 12 ,13 13 , dan D 14. Dioda D 15 dan D 16 hanya digunakan untuk penginderaan tegangan tiga fasa. Tegangan hasil inderaan berupa tegangan jatuh pada R 1 7 yang selanjutnya dimasukkan ke rangkaian pembanding untuk dibandingkan dengan tegangan acuan. Untuk mengatur besamya tegangan keluaran alternator, dilakukan pengubahan tegangan jatuh pada R17 melaui pengubahan besarnya tahanan VAR (voltage adjustment rheostat) clan volt rheostat. Pada kondisi normal (menetap) besarnya tegangan pada R17 sama dengan tegangan acuan, yaitu
36
besarnya 33,696 Volt.
Gambar.3.10. Rangkaian pengindera tegangan Dengan berubahnya besar tegangan jatuh pada R 17, terjadi sinyal kesalahan yang berasal dari perbedaan tegangan pada B17 terhadap tegangan acuan. Sinyal kesalahan ini akan mengatur sudut (saat) penyulutan thyristor pengatur arus penguat sedemikian rupa, sehingga tegangan keluaran alternator. menimbulkan besamya tegangan indera sama dengan tegangan acuan kembali. 3.3.3 Rangkaian Penguat Tegangan Kesalahan dan pembangkit Pulsa Komponen utama rangkaian ini adalah transistor bipolar PNP Q, dan UJT Q2 sebagaimana Gambar.3.11. dibawah ini. Transistor Q, berfungsi sebagai pembanding tegangan, yaitu antara tegangan inderaan clan tegangan acuan, dan sekaligus sebagai penguatan tegangan kesalahan yang timbul. Dioda-dioda D17,D18, dan Dig berfungsi sebagai kompensator perubahan temperatur lingkungan agar tegangan jatuh pada R17 dan kerja Q1 tidak tepengaruh oleh perubahan temperatur. Dalam keadaan setimbang (normal-menetap), besarnya tegangan inderaan sama dengan tegangan acuan dikurangi dengan tegangan basis emitor Q1.
37
Gambar 3.11. Rangkaian penguat tegangan kesalahan dan pembangkit pulsa
3.3.4 Rangkaian Penguat Pulsa Rangkaian penguat pulsa tersusun atas catu daya search meliputi trafo T4, p e n y e a r a h D 2 0 , D 2 1 , D 2 2 , D 2 3 , R 3 8 , C 7 d a n d i o d a z e ne r Z 3 . T r a n s i s t o r N P N Q 4 digunakan sebagai penguat pulsa. Rangkaian selengkapnya dari penguat pulsa adalah sebagai berikut : Selain sebagai penurun tegangan, T4 juga berfungsi sebagai pemisah (pengisolasi) antara rangkaian kontrol (dalam hal ini penguat pulsa) dengan rangkaian daya. Dioda Z 3 menjamin nilai tegangan catu rangkaian pada nilai 21 Volt. Kapasitor C 7 meratakan tegangan catu rangkaian penguat tersebut, sedangkan kapasitor C 6 merupakan kapasitor penghalang bagian tegangan search yang ada pada kaki B, dari transistor Q3.
38
Gambar 3.12. Rangkaian Penguat Pulsa 3.3.5 Rangkaian (pengatur) Daya Penguatan. Rangkaian daya penguatan tersusun atas dioda-dioda DI dan D3, thyristorthyristor SCR1 dan SCR3 sebagaimana gambar dibawah ini. Catu daya rangkaian ini berasal dari tegangan bolak-balik yang dihasilkan oleh PMG. Besarnya arus penguatan yang dihasilkan tergantung pada saat (sudut) penyulutan yang dihasilkan oleh rangkaian penguat pulsa. D3 merupakan dioda freewheeling guna pembuang kelebihan energi medan penguatan pada saat terjadi penurunan arus penguat sehingga fungsi penyearahan tidak terganggu.
Gambar 3.13 Rangkaian days penguatan 3.3.6 Rangkaian stabilisasi Rangkaian ini merupakan rangkaian umpan balik negatif yang memberikan reaksi proporsional terhadap perubahan tegangan search pada belitan penguat. Rangkaian stabilisasi dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
39
Gambar 3.14. Rangkaian Stabilisasi Reaksi proporsional ini menentukan kecepatan AVR dalam menanggapi perubahan proses yang diatur. Semakin tinggi umpan batik (semakin rendah nilai R33), semakin cepat pula reaksi AVR dalam menghadapi perubahan proses. R33 (stabilty adjustment) berfungsi mengubah konstanta waktu RC (R33C9) perubahan tegangan masukan ICI yang mempengaruhi saat penyulutan thyristorMyristor pada rangkajan Jaya. Dengan meng'afur R33 dapat diperoleh kecepatan reaksi sesuai dengan kebutuhan sehingga stabilitas optimum tercapai. 3.3.7 Rangkaian Pengaman Frekuensi Rendah. Bila putaran kerja alternator dibawah nilai nominalnya, gaga gerak listrik (ggl) yang dibangkitkan akan menurun sehingga mengurangi besamya tegangan keluaran. AVR melihatnya sebagai kejadian tersebut sebagai penurunan tegangan dibawah nilai setting. Untuk itu dilakukan pengaturan sudut penyulutan agar SCR I dan SCR3 menyalurkan arus lebih awal, sehingga arus penguat membesar dan tegangan keluaran alternator naik kembali mencapai nilai setting sebelumnya. Pada kondisi penurunan kecepatan putar alternator (yang juga berarti penurunan frekuensi alternator) yang cukup besar, diperlukan arus penguat yang lebih besar untuk mengembalikan besar tegangan keluaran ke nilai sebelumnya. Kondisi ini bisa melebihi batas ketahanan belitan penguat sehingga, harus diamankan. Rangkaian pengaman frekuensi rendah yang digunakan adalah seperti dibawah ini.
40
Gambar 3.15. Rangkaian pengaman frekuensi rendah Komponen utama rangkaian ini adalah transistor Q5 dan Q6 yang berfungsi sebagai detektor tegangan nol, pengatur tegangan IC3, gerbang NAND IC3 dan transistor Q8 yang berfungsi sebagai saklar. Transistor Q5 dan Q6 memberikan pulsa "1" ke kaki 5 IC3 bila tegangan pada terminal 18 dan 19 melewati nol. Pada saat sama dengan nol, Q5 dan Q6 tidak menghantarkan, kolektor kedua transistor tersebut mendapatkan tegangan catu 5V melalui R49. Pada frekuensi rendah, keluaran IC3 kaki I I menjadi negatif, sehingga arus dari R49 tidak mengalir ke basai Q8 melainkan ke titik netral melatui P33 dan IC3. Q8 tidak menghantarkan sehingga manipulasi penginderaan tegangan terhenti dan tegangan jatuh pada R 17 meningkat diikuti dengan turunnya tegangan keluaran alternator akibat tertundanya sudut penyalaan SCR1 dan SCR3. 3.3.8 Kompensator Arus Reaktif. Pada kondisi paralel, selain pembagian daya aktif juga diperlukan adanya pembagian daya reaktif. Bila di dalam AVR terdapat fasilitas kompensasi arus reaktif, pengaturan pembagian beban reaktif tersebut dapat dilakukan secara otomatis. Rangkaian kompensasi arus reaktif pada AVR yang digunakan adalah seperti dibawah ini.
41
Gambar 3.16. Kompensator arus reaktif Pada dasamya rangkaian ini berfungsi "menyisipkan" tegangan pada rangkaian penginderaan tegangan melalui T3 yang dihubungkan secara seri terhadap T1 dengan polaritas yang berlawanan. Pada kondisi beban reaktif bersifat induktif murni (arus tertinggal 90° dibanding dengan tegangan), tegangan trafo T3 benar-benar berlawanan (berbeda fasa 180°) dengan tegangan T1 sehingga terjadi pengurangan tegangan indera (tegangan terminal 22 clan 23). Hal ini menyebabkan peningkatan arus penguatan sehingga tegangan generator naik kembali dan alternator memikul beban reaktif induktif tersebut. Hal sebaliknya terjadi bilamana pembebanan reaktif bersifat kapasitif murni. Bila beban bersifat reaktif murni terjadi kondisi serupa dengan beban induktif tetapi dengan kadar yang lebih rendah. Selanjutnya, besar perubahan arus penguatan terhadap sifat beban, tergantung pada besar beban dan sifat reaksinya. Sebenarnya, sifat kerja diatas sesuai dengan kejadian jangkar yang terjadi akibat pembebanan.
