BAB I

DASAR TEORI

Generator adalah suatu alat yang dapat mengubah tenaga mekanik menjadi energi listrik. Tenaga mekanik bisa berasal dari panas, air, uap dll. Energi listrik yang dihasilkan oleh generator bisa berupa AC maupun DC. Hal tersebut tergantung dari konstruksi generator yang dipakai oleh pembangkit tenaga listrik. Generator berhubungan erat dengan Hukum Faraday, yang berbunyi “apabila sepotong kawat penghantar listrik berada dalam medan magnet berubah-ubah, maka dalam kawat tersebut akan terbentuk Gaya Gerak Listrik.

Bila sebatang logam panjang berada di dalam medan listrik (Eo), maka akan menyebabkan elektron bebas akan bergerak ke kiri yang akhirnya akan menimbulkan medan listrik induksi yang sama kuat dengan medan listrik sehingga kuat medan total menjadi nol. Dalam hal ini potensial kedua ujung logam terdapat muatan induksi. Agar aliran elektron bebas berjalan terus maka muatan induksi ini harus terus diambil sehingga pada logam tidak timbul medan listrik induksi dan sumber ggl (missal baterai) yang dapat membuat beda potensial kedua ujung logam harganya tetap sehingga aliran elektron tetap berjalan. Selanjutnya sumber ggl atau sering disebut sumber tegangan bila dihubungkan dengan perumusan medan listrik, dapat dilakukan melalui hubungan kerja. Bila dalam rangkaian tertutup ada sumber tegangan dengan ggl sebesar ϵ, muatan q mendapat tambahan energi qϵ sehingga kerja yang dilakukan oleh medan listrik untuk menggerakkan muatan q dalam lintasan tertutup adalah :

W = qϵ = ∮c

❑

qE dl atau

ϵ = ∮c

❑

E dl

Generator arus searah menghasilkan arus listrik DC karena pada konstruksi dilengkapi dengan komutator yang biasanya berfungsi sebagai penguat pada generator utama di bengkel atau industri. Sedangkan generator arus bolak-balik menghasilkan arus listrik AC, hal ini disebabkan karena konstruksi pada generator menyebabkan arah arus akan berbalik pada setiap setengah putaran.

1.1 Konstruksi Generator SinkronPada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk

menghasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet yang berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient atau silindris.

Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub silindris, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silindris umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub sedangkan rotor salient digunakan untuk rotor dengan empat

kutub atau lebih. Pemilihan konstruksi rotor ini tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10 MVA menggunakan rotor silindris. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor salient.

1.2 Prinsip Kerja Generator SinkronPrinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut.

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 fluks yang besarnya terhadap waktu adalah konstan.

2. Penggerak mula (prime mover) yang sudah dikopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.

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 menghasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut. Sesuai dengan persamaan berikut ini.

e❑=−Ndᶲdt

Eeff = C n ᶲm

Dimana :Eeff = ggl induksi efektif (Volt)N = jumlah lilitane = ggl induksi dalam keadaan transient (Volt)C = konstantan = putaran rotor (rpm)ᶲm = fluks magnetik maksimum (Weber)Untuk generator sinkron tiga fasa digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu sehingga susunan kumparan jangkar yang demikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa sebesar 120ᵒ dengan yang lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.

1.3 Kecepatan Putar Generator SinkronFrekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron

dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian electromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik stator adalah sebagai berikut.

f ¿ns x p120

dimana :

f = Frekuensi listrik (Hz)ns = Kecepatan putar medan magnet/ kecepatan putar rotor (rpm)p = Jumlah kutub

1.4 Reaksi Jangkar Generator SinkronSaat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang

mengalir melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian dikenal sebagai reaksi jangkar. Pengaruh yang ditimbulkan oleh fluksi jangkar dapat berupa distorsi, penguatan maupun pelemahan fluksi arus medan pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung pada beban dan faktor daya beban, yaitu :a. Untuk beban resistif (cos φ = 1)

Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas mendistorsinya saja tanpa mempengaruhi kekuatannya

b. Untuk beban induktif murni (cos φ = 0 lag)Arus akan tertinggal sebesar 90ᵒ dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan demagnetizing artinya pengaruh reaksi jangkar akan melemahkan fluksi arus medan.

c. Untuk beban kapasitif murni (cos φ = 0 lead)Arus akan mendahului tegangan sebesar 90ᵒ. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar yang terjadi akan magnetizing artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus medan.

d. Untuk beban tidak murni (induktif/ kapasitif)Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagian magnetising dan sebagian demagnetisin. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan sebagian terdistortif dan sebagian magnetizing begitu pula saat beban induktif. Namun pada prakteknya, umunya beban adalah induktif.

1.5 Generator Tanpa BebanPada generator tanpa beban atau biasa disebut dengan pengujian beban

nol adalah 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 dari nol hingga diperoleh harga tegangan induksi Ea berkisar kurang lebih 125% dari tegangan nominal generator. Pada kondisi ini arus jangkar Ia = 0 dan tegangan induksi Ea = V. Pembacaan tegangan induksi jangkar dengan pengaruh variasi medan eksitasi digambarkan dalam sebuah kurva. Kurva ini memiliki garis linier sampai diperoleh harga saturasi dari arus medan. Pada keadaan belum jenuh (unsaturated), rangka besi mesin sinkron memiliki reluktansi yang besarnya beberapa ribu kali lebih kecil dibandingkan dengan reluktansi celah udara, sehingga pada mulanya hampir semua ggl melalui celah udara sebagai akibatnya fluks meningkat secara linear. Ketika pada

akhirnya inti besi tersebut jenuh, reluktansinya meningkat secara dramatis sehingga peningkatan fluks jauh lebih lambat daripada peningkatan ggl (digambarkan pada kurva melengkung). Garis linear pada kurva disebut juga sebagai karakteristik celah udara (air gap).

1.6 Generator Berbeban

Dalam keadaan berbeban, arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar bersifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi dan disebut sebagai reaktansi magnetisasi (Xm). Reaktansi magnetisasi (Xm) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs). Persamaan tegangan yang ada pada generator adalah sebagai berikut.Ea = V + I Ra + jI XsXs = Xm + XaDimana :Ea = tegangan induksi pada jangkarV = tegangan terminal outputRa= resisstansi jangkarXs= reaktansi sinkron

1.7 Hubung SingkatPengujian 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 melalui ampere meter. Lalu arus jangkar diperbesar dengan menaikkan secara bertahap arus medan hingga tercapai nilai arus jangkar maksimum yang masih aman sekitar 125% – 150% dari arus nominal jangkar. Karakteristik hubung singkat merupakan garis lurus. Pada kondisi hubung singkat, tegangan terminal Vt = 0 dan arus jangkar sama dengan arus hubung singkat (Ia = Isc) sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut.

Ia = Isc = Ea

ra+ jXs

Hubungan antara Ia dan If apabila digambarkan sebagai kurva adalah linier karena tidak adanya efek saturasi. Saat tegangan terminal sama dengan nol, lebih dari 90% tegangan jatuh muncul akibat reaktansi sinkron.

1.8 Menentukan Impedansi dan Reaktansi SinkronJika tidak terjadi saturasi, impedansi sinkron Zs akan bernilai tetap. Secara

actual Zs bervariasi saat terjadi saturasi. Untuk menghitung voltage regulation, hanya satu nilai Zs yang digunakan. Umumnya nilai Zs yang digunakan tersebut diperoleh dari arus hubung singkat Isc yang terbesar dan besar tegangan induksi beban nol Ebn saat terjadi saturasi dengan arus medan penguat/ eksitasi If yang sama. Nilai impedansi sinkron Zs dan reaktansi sinkron Xs per fasa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini.

Zs ¿EbnIsc

Xs = √Zs2−ra2

Dimana :Ebn = Tegangan induksi beban nol saat terjadi saturasi pada arus medan tertentu (Volt)Isc = Arus hubung singkat pada arus medan yang sama saat saturasi (A)Zs = Impedansi sinkron (ohm)Xs = reaktansi sinkron (ohm)ra = tahanan jangkar (ohm)

1.9 Pengukuran Tahanan Jangkar Arus SearahPengukuran tahanan jangkar arus searah (rdc) biasanya menggunakan

metode voltmeter – amperemeter. Dimana kumparan jangkar dihubungkan kepada sumber tegangan arus searah (DC) ketika mesin dalam keadaan diam lalu diukur besar arus yang mengalir pada kumparan jangkar. Pengukuran dengan menggunakan sumber tegangan DC dimaksudkan bahwa reaktansi kumparan jangkar akan menjadi nol selama proses pengukuran. Arus yang mengalir pada kumparan jangkar diatur pada nilai nominalnya supaya kumparan berada pada temperatur operasi normal. Jika kumparan jangkar terhubung bintang dan netral tidak tersedia maka besar tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat dihitung seperti ini.

rdc ¿Vdc2 Idc

Sedangkan jika kumparan jangkar terhubung delta maka tahanan jangkar arus searah (rdc) per fasa dapat dihitung dengan persamaan berikut ini.

rdc ¿3Vdc2 Idc

dimana :Vdc = Tegangan arus searah pada kedua terminal jangkar (Volt)Idc = Arus Searah yang mengalir pada kumparan jangkar (A)Idc = Tahanan jangkar arus searah (ohm)

Nilai tahanan jangkar arus searah (rdc) merupakan nilai pendekatan karena saat kumparan jangkar mengalirkan arus bolak-balik, maka nilai tahanan jangkar akan meningkat karena adanya efek kulit. Sehingga perlu diketahui nilai tahanan jangkar efektif yang dapat dihitung dengan persamaan berikut ini.Ra efektif = k rdc

Dengan k = 1.2 s/d 1.3Pengukuran tahanan jangkar arus searah (rdc) pada penulisan ini menggunakan

metode voltmeter-amperemeter dengan kumparan jangkar terhubung bintang.

1.10 Rangkaian Ekivalen Generator SinkronTegangan 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 distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator (disebut reaksi jangkar), induktansi sendiri

kumparan jangkar, resistansi kumparan jangkar dan efek permukaan rotor salient pole.