Konversi Energi g Elektromekanik Bagian I
M.KHAIRULAMRIROSA
Elektromagnetik dan Konversi Energi Elektromekanik l k k k Konversi energi elektromekanik pada motor
Konversi energi elektromekanik pada generator
Hukum Gaya Lorentz
Arah gaya terhadap bidang V dan Bberdasarkan hukum Lorentz. 1Teslaadalah kerapatan magnetketika 1Coulomb muatan qbergerak q bergerak dengan kecepatan 1m/smengalami gaya sebesar 1N.
• Muatan q yangbergerak dengan kecepatan V dalam medan magnetB menimbulkan b lk gaya sebesar: b F = qV u B • B adalah rapat fluks magnetdengan magnet dengan satuan Teslaatau Wb/m2 • Elemen arus I dI dalam medan magnetB akan mengalami gaya dF d dF = (I u B) dI F = I dI u B • Rapat medan magnetpada kawat lurus dialiri arus I pada titik P dinyatakan dengan: • R adalah jjarak P dari kawat dan P0 permeabilitas ruang hampa, P0 =4S u 107
Permeabilitas dan Intensitas Medan Magnet Bahan feromagnetik (besi dan sejenisnya)dibagi sejenisnya) dibagi dalam dua kelas: • Feromagnetik lunak M Memungkinkan ki k rapatt medan magnetbertambah secara linierdengan arus dalam suatu daerah. daerah • Feromagnetik keras Materialyangsulit memenuhi pengertian permeabilitas.Material seperti ini cocok dijadikan magnet permanen magnetpermanen.
• Permeabilitas adalah kemampuan suatu materialuntuk mendukung pembentukan medan magnetdi dalam materialtersebut. ate a o ag et sepe seperti t • Materialnonmagnetik dielektrik,permeabilitas sama dengan permeabilitas ruang hampa (P0). • Materialmagnetik Material magnetik seperti fero magnetik memungkinkan arus menghasilkan medan magnetjauh lebih besar daripada di ruang hampa. hampa • Intensitas atau kuat medan magnet(H) dinyatakan dalam hubungan: B=PH P=B/H P adalah permeabilitas material • Secara umum permeabilitas P tidak konstan,tetapi bergantung pada H.
Kurva Magnetisasi
• Karakteristik B-H material feromagnetik lunak disebut kurva magnetisasi. • Aproksimasi linierterhadap kurva magnetisasi dapat diterima pada wilayah operasi normaluntuk peralatan konversi energi elektromekanik praktik. praktik
Kurva BHmaterialnonmagnetik
• Permeabilitas materialadalah rasio B p H dan merupakan p fungsi g H. terhadap • Rapat medan pada bahan feromagnetik: B = P0 Pr H • Nilai Pr adalah 2.000– 80.000untuk bahan magnetik yangdigunakan pada alat konversi energi elektromekanik.
Kurva BHmaterialmagnetik biasa
Tegangan Induksi O ) N L i
= Lingkup fluks (Wb) = Fluks Fl k (Wb) = Jumlah lilitan = Induktansi (Henry) = Kuat arus (A) =Reluktansi (At/Wb) P0 = Permeabilitas e eab tas ruang ua g hampa (4S u 107) Pr = Permeabilitas relatif A = Luas penampang material(m2) l = Panjang lintasan magnetik (m) e = gaya gerak listrik (V)
• Lingkup fluks (fluxlinkage)pada p dengan g N lilitan kumparan O=N)=Li • L adalah induktansi yangdipenuhi:
• Gayagerak listrik (ggl)merupakan tegangan yangdibangkitkan oleh gaya g g yyang g magnetik.Medanmagnetik berubah waktu menginduksikan tegangan pada konduktor. • Ggl G l atau t tegangan t i d k i berdasarkan induksi b d k Hukum Faraday:
Pembangkit Tenaga Listrik • Sejumlah j pusat p p pembangkit g listrik yyangberoperasi g p secara sinkronisasi merupakan tulang punggung dari sistem tenaga listrik. • Pada P d setiap ti pusatt pembangkit b kit terdapat t d t beberapa b b generator t sinkron yangbekerja paralel. pusat p pembangkit g listrik menggunakan gg mesin sinkron • Semua p dengan kapasitas hingga lebih dari 1000MVA. • Seperti perangkat elektromekanik lainnya,mesin sinkron b k j berdasarkan bekerja b d k hukum h k F d i d k i elektromagnetik. Faradayinduksi l k ik • Istilah sinkron atau serempak mengacu pada mesin yang beroperasi pada kecepatan dan frekuensi konstan pada keadaan steadystate.
Mesin Sinkron Mesin sinkron adalah mesin ACyangpada kondisi ajeg (steady state)berputar sebanding dengan frekuensi arus pada jangkar. Medanmagnetyangdihasilkan arus jangkar berputar pada kecepatan sama dengan yangdihasilkan oleh arus pada rotor. p pada kecepatan p p sinkron,sehingga , gg Kedua medan ini berputar dinamakan mesin sinkron atau mesin serempak. Mesin sinkron umumnya digunakan sebagai generatorkhususnya pada d sistem i tenaga yangbesar b sepertii generatorhidroelektrik. hid l k ik Alternatoratau generatorsinkron adalah peralatan elektromekanik yangmengonversi yang mengonversi energi mekanik menjadi energi listrik.
Rotordari Rotor dari generatorturbin generatorturbin uap,3600rpm uap,3600rpm Statordari generator26KV,908MVA, Stator Statordari generator 26 KV, 908 MVA, 3600rpm,turbin 3600rpm, turbin uap berpendingin air.
Rotorberpendingin air Rotorberpendingin airpada pada generatorhidroelektrik generator hidroelektrik 190MVA
Statordari generatorhidroelektrik Statordari generatorhidroelektrik 190MVA, 12kV,375rpm
Konstruksi M i Sinkron Mesin Si k Pada mesin sinkron terdapat dua kumparan, yaitu kumparan jangkar dan kumparan medan. Kumparan jangkar terletak di stator yang berfungsi untuk membangkitkan t tegangan d arus bolakbalik. dan b l k b lik Kumparan medan terletak di rotor. Kumparan medan disuplay tegangan searah. searah Sistem suplay daya searah kepada rotor disebut dengan eksitasi dan perangkatnya disebut eksiter. Sistem eksitasi mesin generator sinkron ada yang menggunakan sikat dan cincin untuk menyalurkan daya dari luar. luar Ada juga sistem eksitasi tanpa sikat menggunakan mekanisme khusus.
• Pada mesin sinkron kumparan medan terletak pada rotordan kumparan jangkar terletak pada stator. • Kumparan jangkar adalah kumparan dimana d a a tega tegangan ga ACdiinduksikan. C d du s a • Kumparan medan adalah kumparan yang menghasilkan medan magnetutama. • Konstruksi K t k i jangkar j k mesin i sinkron i k h hampir i sama dengan jangkar mesin AClainnya.
Jenis Mesin Sinkron Mesin sinkron dibedakan berdasarkan jenis rotornya • Kutub tonjol (salient) Digunakan untuk generatordengan kecepatan rendah seperti dengan turbin air.Rotorkutub tonjol biasanya memiliki kutub banyak,4kutub atau lebih • Kutub silinder (nonsalient) Generatorkecepatan tinggi menggunakan rotorsilinder.Kelebihan rotor silinder Kelebihan rotorsilinder adalah rugirugi angin lebih rendah.Biasanya terdiri atas 2atau 2 atau 4kutub 4 kutub
Kutub salient
Kutub silinder
Eksitasi • Kumparan p medan dieksitasi dengan g arus searah melalui sikat karbon kepada cincin slip.Sumber DCini disebut eksiter. • Exciterpada generatorbesar dipasang pada poros generator b berupa generatorACkecil t AC k il dengan d penyearah h solidstate. lid t t Sistem eksitasi semacam itu disebut eksiter brushless. g eksiter brushlessadalah bebas p perawatan terkait • Keuntungan pemeliharaan pada sikat. • Arus pada kumparan medan dikontrol melalui rheostat.Arus medan d perlu l dinaikkan di ikk ketika k ik tegangan terminalgenerator i l turun akibat kenaikan beban.
Pembangkitan Tegangan • Kumparan jangkar terdiri atas banyak lilitan. • Rotordiputar pada kecepatan konstan oleh penggerak mula yangterkopel pada poros. • Gelombang G l b fl k menyapu sisi fluks i i lilitan lilit adan d –a.Tegangan yangterinduksi pada lilitan merupakan fungsi waktu sinusoidal. • Frekuensi tegangan yangterinduksi pada mesin 2kutub sama dengan kecapatan rotordalam rotor dalam putaran per per detik. • Generatorsinkron 2kutub harus berputar dengan kecepatan 3000rpm untuk menghasilkan tegangan 50Hz.
Frekuensi dan kecepatan sinkron
• Generator4kutub seperti gambar, g g yyangdibangkitkan g g melalui 2siklus tegangan lengkap perputaran rotor.Dengan demikian frekuensinya 2kaliputaran rotor dalam putaran perdetik. per detik • Generatordengan Pkutub,frekuensi yangdibangkitkan dinyatakan dengan: f
P § nsync ¨ 2 ¨© 60
· ¸ ¸ ¹
nsync
120
f n =putaran rotor P dalam rpm
• Kecepatan sinkron adalah kecepatan yang berhubungan dengan frekuensi. Kutub `
RPM RPM 50Hz
RPM RPM 60Hz
Kutub RPM RPM50 50 RPM60 RPM 60 Hz Hz
2
3000
3600
10
600
720
4
1500
1800
12
500
600
6
1000
1200
16
375
450
8
750
900
20
300
360
Rangkaian Ekivalen Tegangan reaksi jangkar E ar
jxI I a
P Persamaan tegangan eksiter ki Er
E f jxI I a
xI adalah d l h reaktansi kt i efek f k reaksi k i jangkar j k yang disebut reaktansi magnetisasi
Impedansi sinkron diperoleh dengan menggabungkan b k ra,x1 dan d xI Zs
ra j x1 xI
Dimana Xs = x1 + xI disebut diseb t reaktansi sinkron,sehingga Z s ra jX s Hubungan tegangan dinyatakan dengan Ef
Vt I a Z s
Diagramfasor
Magnitud arus beban penuh
Example Sebuah generator3fasa, 1250 kVA 4160 V (fasafasa) 1250kVA,4160V(fasafasa), 10kutub,60Hz,Hubungan Y, tahanan jangkar 0,126ohm perfasa per fasa dan reaktansi sinkron 3ohmperfasa. Hitunglah tegangan perfasa yangdibangkitkan generator pada beban penuh dengan faktor daya 0,8lagging
Ia
1250 u 10 3
3 u 4160
173,48 A
Tegangan fasa terminal Vt
4160 3
2401,770q V
Impedansi sinkron Zs
ra jX s 0,126 j 3 3,002687,59q ohm per fasa
Tegangan perfasa yangdibangkitkan pada faktor daya 0,8lagging Ef
2401,77 173,48 36,87q 3,002687,59q 2761,1378,397q V
A.
Example Sebuah alternator3fasa,10 MVA, 13,8 kV, 60 Hz, hubungan MVA,13,8kV,60Hz,hubungan Y,tahanan jangkar 0,07ohm perfasa dan reaktansi bocor 1,9ohmperfasa.Ggl reaksi j k Ear = -j19,91 jangkar 19 91Ia Ggl yangdibangkitkan Ef = 60 If a. Hitung arus medan yangdi g butuhkan untuk membang kitkan tegangan ratingpada arus jangkar ratingdengan faktor daya 0,8lagging. b Hitung arus medan untuk b. membangkitkan tegangan nominalpada 100%arus ratingdengan faktor daya 0,85lagging.
B.
