Generator Sinkron

Generator Sinkron (Klasifikasi, Konstruksi dan Karakteristik) 1. Pendahuluan

Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin listrik yang digunakan untuk mengubah energi mekanik (gerak) menjadi energi listrik dengan perantara induksi medan magnet. Perubahan energi ini terjadi karena adanya pergerakan relatif antara medan magnet dengan kumparan generator. Pergerakan relatif adalah terjadinya perubahan medan magnet  pada kumparan jangkar (tempat terbangkitnya tegangan pada generator) karena pergerakan medan magnet terhadap kumparan jangkar atau sebaliknya. Alternator ini disebut generator sinkron (sinkron = serempak) karena kecepatan perputaran medan magnet yang terjadi sama dengan kecepatan perputaran rotor generator. Alternator ini menghasilkan energi listrik bolak  balik (alternating current, AC) dan biasa diproduksi untuk menghasilkan listrik AC 1-fasa atau 3-fasa.

2. Klasifikasi Generator Sinkron

Generator sinkron dapat diklasifikasikan berdasarkan sistem eksitasinya. Sistem eksitasi merupakan sistem pemberian arus searah pada kumparan medan yang terdapat pada rotor generator guna menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar yang terdapat pada stator generator. Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu sistem eksita si dengan menggunakan sikatdan sistem eksitasi tanpa sikat. Sistem eksitasi dengan menggunakan sikat terdiri dari: 1. Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah 2. Sistem eksitasi statis Sedangkan sistem eksitasi tanpa sikat terdiri dari: 1. Sistem eksitasi tanpa menggunakan pilot menggunakan pilot exciter  2. Sistem eksitasi dengan menggunakan pilot menggunakan pilot exciter 

2.1 Sistem Eksitasi dengan Generator Arus Searah

Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah merupakan sistem eksitasi konvensional, dimana arus searah yang dialirkan pada kumparan rotor

diperoleh dari generator arus searah yang terkopel dalam satu poros dengan generator sinkron. Arus searah yang dihasilkan oleh generator arus searah ini dialirkan pada kumparan rotor melalui sikat dan slip ring   untuk menghasilkan tegangan induksi pada kumparan stator (jangkar) generator sinkron.

Gambar 1. Sistem Eksitasi dengan Generator Arus Searah

Sistem eksitasi dengan menggunakan generator arus searah ini mempunyai  beberapa kelemahan, antara lain: 

Generator arus searah yang terkopel pada poros yang sama dengan generator sinkron menjadi beban tambahan bagi prime mover .



Penggunaan sikat untuk menyalurkan arus searah pada rotor generator sinkron maupun sikat yang terdapat pada generator arus searah itu sendiri mengakibatkan adanya tegangan jatuh pada sikat yang menyebabkan rugi-rugi daya yang cukup  besar.



Penggunaan sikat dan slip ring  membutuhkan perawatan yang tinggi karena sikat harus diperiksa secara teratur.



Selain itu, generator arus searah sendiri mempunyai keandalan yang rendah.

Oleh karena masalah-masalah tersebut, maka dikembangkan sistem eksitasi lain, yaitu sistem eksitasi statis, untuk meningkatkan sistem eksitasi yang masih menggunakan sikat ini. 2.2 Sistem Eksitasi Statis

1

Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak, yang  berarti bahwa peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama rotor generator sinkron. Pada sistem eksitasi ini, generator tambahan tidak lagi diperlukan dan sebagai gantinya, sumber eksitasi berasal dari keluaran generator si nkron itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakanrectifiier .

Gambar 2. Sistem Eksitasi Statis

Sistem eksitasi statis mempunyai kualitas yang lebih baik daripada sistem eksitasi konvensional dengan menggunakan generator arus searah. Namun, penggunaan sikat masih menjadi permasalahan pada sistem eksitasi ini.

2.3 Sistem Eksitasi tanpa Sikat tanpa Pil ot Exciter 

Sistem eksitasi ini menyalurkan arus searah pada kumparan rotor tanpa menggunakan sikat. Sistem eksitasi ini terdiri dari sebuah generator arus bolak-balik yang mempunyai kumparan medan yang terletak pada stator dan kumparan jangkar yang terletak pada poros rotor. Sejumlah kecil arus tiga fasa disearahkan dan digunakan untuk mensuplai kumparan medan padaexciter yang terletak di stator. Keluaran kumparan jangkar exciter (pada rotor)disearahkan menjadi arus searah dengan menggunakan rectifier   tiga fasa yang juga terpasang pada poros rotor dan kemudian dialirkan ke kumparan medan utama. Besarnya arus medan yang dialirkan menuju rotor generator utama dapat dikendalikan dengan sejumlah kecil arus medan exciter  yang terletak pada stator.

2

Gambar 3. Sistem Eksitasi tanpa Sikat tanpa Pilot Exciter

Sistem eksitasi tanpa sikat membutuhkan perawatan yang lebih sedikit dibandingkan dengan sistem eksitasi dengan menggunakan sikat karena tidak adanya kontak mekanis antara rotor dengan stator.

2.4 Sistem Eksitasi tanpa Sikat dengan Menggunakan Pil ot Exciter 

Sistem eksitasi tanpa sikat dapat dibuat sama sekali tidak bergantung pada sumber listrik eksternal dengan menggunakan pilot exciter berukuran kecil. Pilot exciter  terdiri dari sebuah generator arus bolak-balik dengan magnet permanen yang terpasang pada  poros rotor dan kumparan tiga fasa pada stator. Pilot exciter   menghasilkan daya yang dibutuhkan oleh rangkaian medan exciter  yang digunakan untuk mengendalikan rangkaian medan generator utama. Ketika pilot exciter   digunakan, generator dapat beroperasi tanpa sumber listrik dari luar.

3

Gambar 4. Sistem Eksitasi tanpa Sikat dengan Menggunakan Pilot Exciter

3. Konstruksi Generator Sinkron

Generator mempunyai dua komponen utama yaitu stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). 3.1 Stator

Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam. Stator dari mesin sinkron terbuat dari besi magnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugirugi arus pusar. Dengan inti magnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Stator terdiri dari beberapa komponen utama yaitu : a.

Rangka stator, merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar generator.

 b.

Inti stator, Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetik khusus yang 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.

d.

Kumparan stator, biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi

4

3.2 Rotor

Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang  besar. Kutup magnet yang biasa digunakan pada rotor generator sinkron ada 2 jenis  bentuk sebagai berikut : 1. Kutup sepatu atau menonjol (salient). Kutub menonjol terdiri dari inti kutub, badan kutub dan sepatu kutub. Kumparan medan dililitkan pada badan kutub. Pada sepatu kutub juga dipasang kumparan  peredam (damper winding). Kumparan kutub dari tembaga, badan kutub dan sepatu kutub dari besi lunak.

2. Kutup silindris (non salient). Kutup ini terdiri dari alur-alur dan gigi yang yang dipasang untuk menempatkan kumparan medan.

Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar penggerak mula, frekuensi dan rating daya generator. Pada kutub sepatu (salient), kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor. Rotor kutub sepatu ini biasanya digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Karena kutup rotornya banyak, maka  biasanya rotor ini digerakkan dengan kecepatan yang rendah. Pada kutub silindris (non salient), konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor yang membentuk seperti silinder. Rotor silinder ini umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub. Rotor ini biasanya digerakkan dengan kecepatan tinggi sehingga genetor yang menggunakan kutup ini biasanya disebut juga dengan turbo generotor. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dengan rating daya sekitar 10 MVA biasanya menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Generator-generator ini biasanya membentuk medan magnet dengan bantuan kumparan yang dililitkan pada rotornya, kemudian kumparan ini diberi sumber DC dengan sistem pengaturan yang baik sehingga besar arus yang melewati kumparan dapat diatur untuk mengatur kuat medan yang akan dihasilkan rotor.

5

Gambar 5 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

(a)

(b) Gambar 5 Gambaran bentuk

(a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang rotor pada generator sinkron

4. Karakteristik Generator Sinkron 4.1 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan  permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan

6

AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°.

Gambar 6 kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan

Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain  bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan

4.2 Kecepatan Putar Generator Sinkron

Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan  putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:

 f  e



n r . p 120

Dimana: fe = frekuensi listrik (Hz) nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)  p = jumlah kutub magnet

7

Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet,  persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz  pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.

4.3 Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron

Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini  biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi dengan tegangan terminal adalah: 1.

Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator, disebut reaksi jangkar.

2.

Induktansi sendiri kumparan jangkar.

3.

Resistansi kumparan jangkar.

4.

Efek permukaan rotor kutub sepatu.

Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 7 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa

4.4 Menentukan Parameter Generator Sinkron

Harga reaktansi dan impedansi diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap 8

dan tegangan terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar. Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mula-mula arus eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus.

Gambaran karakteristik hubung singkat generator diberikan di bawah ini.

Gambar 8 Karakteristik hubung singkat generator

Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol. Impedansi internal mesin adalah:  Zs



 Ra

2



 Xs

2

 Ea 

 Ia

Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:

 Xs



 Ea  Ia



V OC   Iahs

Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada kumparan  jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut. 9

 Ra



V  DC  2. I  DC 

Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol  pada saat pengukuran.

4.5 Generator Tanpa Beban

Dengan memutar generator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF), maka tegangan (Ea) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut. Ea = c.n. 

yang mana: c

= konstanta mesin

n

= putaran sinkron



= fluks yang dihasilkan oleh IF

Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.

Gambar 9 Karakteristik tanpa beban generator sinkron

Pada pengujian beban nol (tanpa beban), alternator diputar pada kecepatan ratingnya dan terminal alternator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan terminal alternator diukur  pada tiap tahapan. 10

Gambar 10 Rangkaian pengujian beban nol pada alternator

Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga tegangan terminal alternator (Vt) yang terukur dianggap sama dengan tegangan yang dibangkitkan alternator (Ea). Dari hasil pengujian tanpa beban ini akan diperoleh kurva karakteristik  beban nol alternator. Dari kurva karakteristik ini akan diperoleh hubungan GGL alternator (Ea) sebagai fungsi terhadap arus medan (If). Untuk pendekatan dalam menentukan  parameter alternator, maka dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.

Gambar 11 Kurva karakteristik alternator a) saat beban nol (tanpa beban)

dan b) saat hubung singkat

11

4.6 Pengujian Hubung Singkat

Pada pengujian hubung singkat, kumparan jangkar alternator dihubung bintang (Y)

Gambar 12 Rangkaian pengujian hubung singkat pada alternator 

Pada saat pengujian hubung singkat, arus eksitasi medan mula mula dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui sebuah alat ukur ampere meter untuk mengukur arus hubung singkat (arus jangkar (Ia) saat hubung singkat). Kemudian arus  jangkar saat hubung singkat ( hs Ia ) diukur dengan menaikkan arus eksitasi medan secara  perlahan sampai pada batas arus nominalnya. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus. Ketika terminal alternator dihubung singkat, maka tegangan terminal adalah nol, dan impedansi internal alternator adalah:

Besarnya nilai Ea yang diambil dari persamaan (1.22) diperoleh dari hasil kurva karakteristik beban nol alternator yang telah kita peroleh sebelumnya. Oleh karena reaktansi sinkron Xs >> Ra, maka persamaan dapat disederhanakan menjadi:

dimana: Voc = tegangan terminal alternator saat pengujian beban nol Jadi, jika Ia dan Ea telah diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat diketahui.

12

4.7 Pengujian Sumber DC

Untuk menentukan tahanan jangkar dapat dilakukan dengan menerapkan tegangan DC  pada kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.

dengan: VDC = Besarnya tegangan sumber DC yang diberikan pada dua kumparan alternator yang terhubung Y (volt) IDC =

Besarnya arus DC yang tercatat oleh alat uku ampere meter DC (amper)

Gambar 13 Rangkaian pengujian untuk mengukur tahanan jangkar

Penggunaan tegangan DC ini dimaksudkan supaya reaktansi kumparan sama dengan nol  pada saat pengukuran, sehingga yang terukur hanya tahanan jangkar saja.

4.8 Generator Berbeban

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan  pada generator adalah: Ea = V + I.Ra + j I.Xs Xs = Xm + Xa

yang mana: Ea = tegangan induksi pada jangkar 13

V = tegangan terminal output Ra = resistansi jangkar Xs = reaktansi sinkron

Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 14 Karakteristik alternator berbeban induktif

4.9 Diagram Fasor

Gambar 15 Diagram fasor (a) Faktor daya satu (b) faktor daya tertinggal (c) faktor daya

mendahului

Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada saat tidak  berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya arus jangkar

14

(Ia) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk faktor keja yang  berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar Ia

Bila Alternator diberi beban yang berubah  –   ubah maka besarnya tegangan terminal (Vt) akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya rugi  –  rugi : a.

Tahanan jangkar (Ra)

 b.

Reaktansi bocor pada jangkar (X L)

c.

Reaksi Jangkar, dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan

mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (X m). Persamaan tegangan  pada generator adalah : Ea = V + I.Ra + j I.Xs Xs = Xm + XL

di mana: Ea = tegangan induksi pada jangkar V = tegangan terminal output R a = resistansi jangkar Xs = reaktansi sinkron a) Un tuk beban r esistif , medan jangkar akan mengganggu distribusi medan utama dan mengakibatkan penurunan tegangan (pf unity)

Gambar 16 Vektor Diagram Beban Resistif

 b) Untuk beban induktif, medan jangkar melemahkan medan utama, akibatnya tegangan generator akan turun (pf lagging)

15

Gambar 17 Vektor Diagram Beban Induktif

c) Un tuk beban kapasiti f, medan jangkar menguatkan medan utama, akibatnya tegangan generator akan naik (pf leading)

Gambar 18 Vektor Diagram Beban Kapasitif

Untuk menentukan resistansi dan reaktansi maka diperlukan 3 test,yaitu: Test Tanpa beban (Beban Nol). Test Hubung Singkat. Test Resistansi Jangkar.

16