MAKALAH ELEKTROMAGNETIKA “GENERATOR SINKRON DAN PENGARUH JENIS BEBAN TERHADAP TEGANGAN TERMINAL PADA GENERATOR”
Disusun Oleh: Sang Sang Put Putu u Sana Sanatt Ku Kuma mara ra
1106 110613 1398 9802 02
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA 2012
I. Pendahuluan Stasiun pembangkitan tenaga listrik merupakan salah satu sarana dalam sistem tenaga listrik yang cukup memegang peranan penting. Stasiun pembangkit tenaga listrik tersebut dapat berupa generator yang digerakkan oleh tenaga gas, uap, air, diesel dan lainnya. Hal utama dalam pengadaan sistem tenaga listrik adalah bagian dari pembangkitnya atau dalam hal ini adalah generator listriknya. Apabila suatu sistem pembangkit terganggu maka seluruh sistem pembangkit listrik akan terhenti pengoperasiannya. Hal inilah yang menyebabkan pentingnya peranan generator dalam sistem tenaga listrik. Dan salah satu jenis generator yang digunakan dalam sistem tenaga listrik adalah generator sinkron. Sebelum membahas tentang generator sinkron, terlebih dahulu kita mengetahui tentang generator listrik. Generator listrik adalah suatu mesin listrik dimana dalam proses kerjanya melakukan pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik. Generator listrik dan motor listrik mempunyai kesamaan, yaitu sama-sama memanfaatkan induksi listrik yang terjadi di dalam kedua perangkat/sistem. Akan tetapi fungsi dari kedua sistem tersebut berbeda, dimana motor listrik melakukan konversi energi listrik menjadi mekanik. II. Definisi Generator Sinkron Generator sinkron merupakan salah satu jenis generator listrik dimana terjadi proses pengkonversian energi dari energi mekanik ke energi listrik, (sama seperti generator listrik) yang dihasilkan oleh putaran kumparan rotor yang memotong suatu medan elektromagnetik yang dihasilkan di stator sehingga kemudian menyebabkan timbulnya energi listrik. Induksi elektromagnetik yang terjadi dalam generator merupakan bentuk aplikasi nyata dari Hukum Faraday yang menyatakan: 1. “Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari sebuah medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi”. 2. “Perubahan flux magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut”.
Sedangkan jika dijabarkan dengan persamaan matematisnya, persamaannya adalah sebagai berikut: d Φ einduksi = − N .................................(1) dt dimana, einduksi
N d Φ dt
: tegangan induksi elektromagnetik (GGL induksi) : jumlah lilitan : laju perubahan fluks magnetik (wb/s)
Keterangan : Nilai atau tanda minus (-) pada lilitan merupakan bentuk penerapan dari Hukum Lenz yang mengatakan: “Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik“.
Sedikit tambahan, pada medan magnetik yang mengalami perubahan terhadap waktu, sering disebut menimbulkan elektromotansi (tegangan gerak listrik). Elektromotansi ini sendiri merupakan tegangan yang ditimbulkan oleh konduktor yang bergerak dalam medan magnetik atau dari medan magnetik yang mengalami perubahan, seperti yang dinyatakan dalam persamaan (1) diatas.
Gambar 2.1 Prinsip Hukum Faraday
III. Konstruksi Generator Sinkron Generator sinkron mempunyai 2 bagian utama, yaitu bagian diam yang dinamakan stator dan bagian bergerak yang dinamakan rotor.
Gambar 3.1 Konstruksi Generator Sinkron .
Bagian Diam (Stator) Bagian dalam pada generator atau dinamakan dengan stator terdiri dari beberapa bagian, yaitu: Inti Stator Bentuk dari inti stator berupa cincin-cincin laminasi yang diikat serapat mungkin untuk menghindari rugi-rugi arus eddy ( eddy current loses). Pada
inti ini terdapat untuk mengatur menempatkan konduktor dan mengatur arah medan magnetnya. Belitan Stator Belitan stator terdiri dari beberapa batang konduktor yang terdapat didalam slot-slot dan ujung-ujung kumparan. Masing-masing slot dihubungkan untuk mendapatkan tegangan induksi. Alur Stator Merupakan bagian stator yang berperan sebagai tempat belitan stator ditempatkan. Rumah Stator (Housing) Merupakan bagian dari stator yang terbuat dari besi tuang yang berbenntuk silinder. Bagian belakang dari rumah stator ini biasanya memiliki siripsirip sebagai alat bantu dalam proses pendinginan pada saat generator dijalankan. b.
Bagian Bergerak (Rotor) Rotor adalah bagian dari generator yang bergerak atau berputar. Antara rotor dan stator dipisahkan oleh celah udara (air gap). Rotor terdiri dari 2 bagian utama, yaitu: 1. Inti Kutub Kumparan Medan Pada bagian inti kutub terdapat poros dan inti motor yang berfungsi sebagai jalan atau jalur fluks magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet. Pada kumparan magnet, terdapat 2 bagian, yaitu bagian penghantar sebagai jalur untuk arus pemacuan dan bagian yang diisolasi. Isolasi pada bagian ini harus benar-benar baik dalam hal kekuatan mekanisnya, ketahanannya akan suhu yang tinggi dan ketahanannya akan gaya sentrifugal yang besar. IV. Prinsip Kerja Generator Sinkron Secara prinsip, generator sinkron memiliki kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnet yang terletak di antara kutub magnet utara dan dan selatan yang diputar oleh suatu penggerak. Hasil perputaran tersebut kemudian akan menimbulkan medan magnet berupa fluks. Fluks yang timbul ini bersumber dari suatu sumber AC yang memiliki fungsi sinusoidal sehingga arah putaran dari fluks ini akan berganti setiap setengah (1/2) periode. Putaran fluks yang berganti-ganti arah tersebut kemudian akan memotong kumparan stator sehingga pada stator akan timbul gaya gerak listrik (GGL). Gaya gerak listrik tersebut, akibat pengaruh dari induksi fluks putar yang memiliki sumber AC, juga akan bersifat bolak-balik, yang berarti bahwa berputar dengan kecepatan sinkron terhadap penggerak kecepatan mula-mula atau awal. IV.1
Dasar-dasar Pembangkitan Generator Sinkron Pada pembangkitan generator sinkron, terdapat 3 hal mendasar yang perlu diketahui, antara lain: 1. Lilitan yang berputar dengan putaran konstan pada alur medan magnet homogen. 2. Lilitan yang dalam keadaan diam pada suatu medan magnet homogen yang berputar konstan.
3. Prinsip induksi heteropolar (asiklis). Pada prinsip pembangkitan induksi heteropolar (asiklis) menjelaskan bahwa apabila sepotong kawat bereda dalam medan magnet diputar pada sumbunya, maka kawat tersebut akan memotong garis-garis gaya sehingga fluks yang dilingkupinya sebesar: Φ = Φ m. co sθ
Menurut hukum Faraday, einduksi
= − N
d Φ dt
sehingga akan diperoleh persamaan: einduksi
= − N
d Φm. cosθ dt
lalu karena θ = ω .t , maka persamaan menjadi: einduksi
dimana bila dan jika
ω =
ω =
π
2
0 , maka
, maka
= ω .Φm. sin ω t
Φ = Φm
Φ= 0
.
Apabila prinsip-prinsip tersebut diatas diterapkan terhadap kumparan, dimana kumparan merupakan gabungan dari sejumah belitan kawat, maka persamaan diatas akan dapat dimodifikasi menjadi:
E N
= N . ω . Φ .
sinω t
yang kemudian dapat ditulis ulang menjadi:
E N =
Φ
sin ω t
dimana, N : jumlah lilitan ω : kecepatan putaran (rad/s) Φ : besar fluks medan (weber) E N : GGL induksi yang dibangkitkan pada sejumlah N lilitan kawat IV.2
Medan Magnet pada Generator Sinkron Medan magnet pada generator sinkron terdiri dari 2 macam, yaitu Medan Utama dan Medan jangkar. Medan utama adalah medan yang mempengaruhi kerja dari generator sinkron. Medan utama terdiri lagi menjadi 2 macam, yaitu Magnet Permanen dan Elektromagnet. Magnet permanen merupakan medan magnet yang daya magnetisnya tidak dapat
diatur dalam suatu batasan tertentu dan secara berangsur-angsur mengalami perlemahan. Sedangkan elektromagnet merupakan medan magnet dimana daya magnetisnya dapat diatur dalam suatu batasan tertentu. Medan jangkar adalah medan magnet yang ditimbulkan oleh belitan yang terdapat pada stator, sehingga sering disebut juga medan stator. Medan ini timbul sebagai hasil superposisi dari medan AC yang berasal dari tiga kumparan stator. Tiga kumparan stator ini mewakili masingmasing fasa dari arus bolak-balik, yaitu R, S dan T. Sumbunya membentuk sudut sebesar
2π dan arus yang berbeda fasa sebesar 120 0 . Kecepatan dan 3
arah perputaran sama dengan medan utama, sehingga keduanya dapat disuperposisikan. Besarnya putaran ini dapat diketahui berdasarkan: n=
dimana, n f p 120 IV.3
120 f p
atau f =
np
120
: jumlah putaran per menit : frekuensi AC yang dipergunakan : jumlah kutub : besarnya perbedaan fasa di antara kutub sumbu
Tegangan yang Diinduksikan Generator Sinkron Besar gaya listrik yang diinduksikan oleh kumparan stator per fasa adalah: E eff = 4,44 . f . M .
Φ . Kd
dimana, E eff
f M kd Φ
: gaya gerak listrik induksi kumparan stator : frekuensi output generator : jumlah kumparan per fasa : faktor distribusi : fluks magnet per kutub per fasa
dapat dinyatakan pula bahwa, M =
Z
2
, dimana z adalah jumlah konduktor
seluruh slot per fasa. Maka persamaan dapat ditulis ulang menjadi: E eff = 4,44 . f .
E eff =
dimana, c = IV.4
Z
2 2.c.n.
.
Φ . Kd
Φ . Kd
4,44 . p . Z 120 . 2
Reaksi Jangkar Generator Sinkron Saat generator sinkron bekerja pada beban sama dengan nol, tidak ada arus yang mengalir dalam kumparan jangkar (stator). Sehingga yang ada pada celah udara hanya fluks arus medan motor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar akan mengalir dan membentuk fluksi
jangkar. Fluks jangkar ini kemudian mempengaruhi fluks arus medan dan akhirnya menyebabkan perubahan harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini dikenal dengan reaksi jangkar seperti diilustrasikan pada gambar berikut:
Gambar 4.1 Model reaksi jangkar
Keterangan: a. Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Jenis beban resistif, dimana Φ A tegak lurus dengan Φ F . b. Arus jangkar (I) terdahulu Φ dari GGL (E). Jenis beban kapasitif, dimana Φ A memperkuat Φ F , sehingga terjadi penguatan kemagnetan. c. Arus jangkar (I) terbelakang dari GGL (E). Jenis beban induktif, dimana Φ A memperlemah Φ F , sehingga terjadi pelemahan kemagnetan. Pengaruh yang ditimbulkan masing-masing reaksi jangkar tergantung kepada beban dan faktor daya beban, yaitu: 1. Untuk beban resistif (cos θ = 1) 2. Untuk beban induktif murni (cos θ = 0 lag ) 3. Untuk beban kapasitif murni (cos θ = 0 lead ) 4. Untuk beban tidak murni (kapasitif dan induktif) IV.5
Efek Perubahan Beban pada Generator yang Bergerak Sendiri Bertambahnya beban yang ditampung oleh generator identik dengan bertambahnya daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, kemudian pertambahan arus saluran ini akan mempengaruhi
nilai tegangan terminal Vt. Hal yang berpengaruh terutama oleh faktor beban, seperti pada gambar 4.2. Diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya 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)
Beban Induktif
(b)
Beban Resistif
(c)
Beban Kapasitif
Gambar 4.2 Diagram Fasor Penambahan Daya
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi besar tegangan terminal, sehingga tegangan terminal akan mengecil. Sedangkan pada beban resistif ditambahkan, maka tegangan terminal juga akan mengecil akan tetapi sebaliknya, jika beban kapasitif ditambahkan maka tegangan terminal cenderung membesar. Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan meskipun beban berubah, maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai E a , karena Ea = K . Φ . ω . Maka E a dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai fluksi tentu dipengaruhi oleh arus medan I f , bertanbahnya I f akan menambah fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubah-ubah, selain besarnya juga faktor dayanya. Hal ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai dengan
faktor dayanya sehingga dapat menghasilkan tegangan terminal generator yang stabil. Dibawah ini merupakan gambar kurva hubungan antara arus jangkar F 1 dan arus medan I f untuk tiga jenis faktor daya, dalam hal ini tegangan generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kV dan daya 400 MVA.
Gambar 4.3 Kurva Arus Jangkar vs Arus Medan untuk 3 faktor daya
Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus diberikan berbeda-beda tergantung pada faktor daya beban. Maka dapat disimpulkan, untuk generator yang bekerja sendiri: 1. Daya yang disuplai generator sesuai dengan kebutuhan beban. 2. Pengaturan arus medan akan mempengaruhi besar nilai tegangan terminal. V.
Kesimpulan Dari pemahaman yang dijabarkan pada bab-bab sebelumnya, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Generator sinkron adalah mesin listrik yang berfungsi untuk mengkonvesi energi mekanik menjadi energi listrik. Pembangkitan dari generator sinkron sama dengan generator listrik, yaitu memanfaatkan tenaga luar seperti air, uap, diesel dll. 2. Generator sinkron, generator listrik dan motor listrik mempunyai kesamaan, yaitu memanfaatkan induksi elektromagnetik yang terjadi didalamnya sesuai dengan hukum Faraday. 3. Saat generator bekerja dengan beban nol, maka tidak ada arus yang emngalir pada kumparan jangkar (stator) generator. Sehingga generator tidak akan bekerja. Sebaliknya, jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar akan mengalir dan membentuk fluks jangkar. Fluks jangkar ini kemudian mempengaruhi fluks arus medan dan akhirnya menyebabkan perubahan harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi jangkar pada
generator ini berbeda-beda, tergantung dari jenis beban yang diberikan (resistif, induktif atau kapasitif). 4. Masing-masing jenis beban pada generator tersebut akan mempengaruhi karakteristik dari tegangan terminal pada generator.
