BAB VII Generator Sinkron 7.1. Pendahuluan 7.1.1. Deskripsi Singkat Bab ini akan membahas ...

37 Pages·2012·0.96 MB·Indonesian

BAB VII

Generator Sinkron

7.1. Pendahuluan
7.1.1. Deskripsi Singkat
Bab ini akan membahas generator sinkron, konstruksi generator sinkron,
Bentuk penguatan, bentuk rotor, bentuk stator, dan model paralel generator sinkron

6.1.2. Relevansi
Materi yang diberikan pada pokok bahasan ini penting bagi mahasiswa
dalam memahami generator khusunya generator AC. Bab 7 ini erat kaitannya dengan
pembahasan pada Bab 2 dan Bab 4 yang sudah dibahas sebelumnya. Dan juga
memiliki keterkaitan dengan Bab 6 dan Bab 8. Pembahasan yang lebih detail
mengenai generator AC akan diberikan pada mata kuliah tersendiri yakni mesin-
mesin listrik.

7.1.2. Kompetensi Dasar
Menjelaskan prinsip kerja dan elemen-elemen dari generator sinkron

7.2. Penyajian
7.2.1. Konstruksi Generator Sinkron
Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan
konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin. Ada dua struktur
kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu
kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa
disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat
dibangkitkannya GGL arus bola-balik.
Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang
diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur
medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat
arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless
excitation”.

7.2.2. Bentuk Penguatan
Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik
diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC
penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron
dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator
Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan
tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai penguatan atau
menggunakan magnet permanent (magnet tetap).

Gambar 7.1. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot
Exciter”.

Gambar 7.2. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless
Exciter System”.
Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan Diode silikon dan
Thyristor.
Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:
 Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus
dialirkan ke rotor melalui Slipring.
 “Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang
berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.

7.2.3. Bentuk Rotor
Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin
dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder gambar
7.3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator
Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol gambar 7.3b.

Gambar 7.3a. Bentuk Rotor kutub silinder.

Gambar 7.3b. Bentuk Rotor kutub menonjol.

7.2.4. Bentuk Stator
Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik , seperti telah
dibahas di sini, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar.
Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan
tinggi.
Gambar 7.4. memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Belitan
jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa, ada dua tipe
yaitu :
a) Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
b) Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).

Gambar 7.4. Inti Stator dan Alur pada Stator

a) Bentuk Stator Satu Lapis
Gambar 7.5. memperlihatkan belitan satu lapis, karena hanya ada satu sisi
lilitan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga fasa dimulai pada Sa, Sb, dan
Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan
bintang dan segitiga. Antar kumparan fasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau
60 derajat mekanik, satu siklus GGL penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub
berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus GGL penuh menunjukkan 360 derajat
listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis ө dan sudut listrik ө , adalah :
m e
P
   ....................................................................................................(7.1)
e 2 m
Gambar 7.5. Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa.

Gambar 7.6. Urutan fasa ABC.

Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 7.6. (searah jarum jam),
urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC, dengan demikian
tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B, dan kemudian fasa
C.
Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau urutan fasa
negatif, sedangkan urutan fasa ABC disebut urutan fasa positif. Jadi ggl yang
dibangkitkan sistem tiga fasa secara simetris adalah:
EA = EA ∟ 0° volt
EB = EB ∟ -120° volt
EC = EC ∟ -240° volt

b) Belitan Berlapis Ganda
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 5 hanya mempunyai satu
lilitan per kutub per fasa, akibatnya masing-masing kumparan hanya dua lilitan secara
seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam
alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing-masing tegangan fasa akan
sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar
per fasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif
dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga
melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk
mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi
dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 7.7 memperlihatkan bagian dari
sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing
alur ada dua sisi lilitan dan masing-masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran.
Bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur biasanya disebut “ Winding
Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.

Gambar 7.7. Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa.

7.2.5. Faktor Distribusi
Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan terdiri dari sejumlah
lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah. Sehingga, GGLl pada terminal
menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan kumparan yang telah dipusatkan. Suatu
faktor yang harus dikalikan dengan GGL dari sebuah kumparan distribusi untuk
menghasilkan total GGL yang dibangkitkan disebut faktor distribusi Kd untuk
kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari satu (Kd < 1). Diasumsikan ada n alur per
fasa per kutub, maka jarak antara alur dalam derajat listrik, adalah :
180 derajat listrik
 ..............................................................................(7.2)
m
dimana m menyatakan jumlah fasa.

Gambar 7.8. Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan.
Perhatikan gambar 7.8, disini diperlihatkan GGL yang dinduksikan dalam
alur 2 akan tertinggal (lagging) dari GGL yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar ψ
=15 derajat listrik, demikian pula GGL yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal
2ψ derajat, dan seterusnya. Semua GGL ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor
E1, E2, E3 dan E4. Total GGL stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.
E = E1 + E2 + E3 + E4
Total GGLl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar dari GGL lilitan oleh
faktor.
jumlah vektor E1E2E3E4
Kd   ..............................................(7.3)
jumlah aljabar 4E lili tan
Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan:
1 
sin n
2 
Kd  .........................................................................................(7.4)

nsin 
 2 
Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang
tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 7.9.
Gambar 7.9. Total GGL Et dari Tiga GGL Sinusoidal.

7.2.6. Faktor Kisar
Gambar 7.10, memperlihatkan bentuk kisar dari sebuah kumparan, bila sisi
lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar penuh, sedangkan bila diletakkan
dalam alur 1 dan 6 disebut kisar pendek, karena ini sama dengan 5/6 kisar kutub.

Gambar 7.10. Kisar Kumparan

Kisar :
5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat
1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat.
Kisar pendek sering digunakan, karena mempunyai beberapa keuntungan,
diantaranya:
• Menghemat tembaga yang digunakan.
• Memperbaiki bentuk gelombang dari tegangan yang dibangkitkan.
• Kerugian arus pusar dan Hysterisis dapat dikurangi.
jumlah vektroggl induksilili tan
Faktor Kisar(Kp)  ...........................(7.5)
jumlah aljabar ggl induksilili tan
EL GGL yang diinduksikan pada masing-masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar
penuh, maka total induksi = 2 EL (gambar 7.11).

Gambar 7.11. Vektor Tegangan Lilitan.
Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik, seperti diperlihatkan
pada gambar 7.8b, maka tegangan resultannya adalah:
E = 2 EL. Cos 30/2
30
2ELcos
E 2
Kp   cos15......................................................(7.6)
2EL 2EL
atau,
30  P
Kp cos cos sin .....................................................................(7.7)
2 2 2
dimana P° adalah kisar kumparan dalam derajat listrik.

7.2.7. Gaya Gerak Listrik Kumparan
Sebelumnya telah dibahas mengenai frekuensi dan besarnya tegangan
masing-masing fasa secara umum. Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang
terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.
Apabila
Z = Jumlah penghantar atau sisi lilitan dalam seri/fasa = 2 T
T = Jumlah lilitan per fasa
dφ = φP dan dt = 60/N detik
maka GGL induksi rata-rata per penghantar:
d P NP
Er    volt.....................................................................(7.8)
dt 60 N 60
sedangkan jika,
PN
f 
120
atau,
120f
N 
P

Sehingga GGL induksi rata-rata per penghantar menjadi:
P 120f
Er    2f (volt).....................................................................(7.9)
60 P
bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : GGL rata-rata/fasa
= 2 f Z Volt
 
= 2 f  2T = 4 f T volt
GGL efektif/fasa = 1.114 f T = 4.44 f T volt
bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka GGL efektif/fasa
E4,44Kd Kp f T (volt)..............................................................(7.8)

7.2.8. Metode Paralel Generator Sinkron
Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari
kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau
bahkan akan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban
yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang