GENERATOR SINKRON (Synchronous generator)

 Generator arus bolak balik (AC) adalah generator yang berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak balik (AC). Sering juga disebut alternating. Umumnya generator AC dibagi atas dua jenis yaitu :

1. Generator Sinkron
2. Generator Asinkron

Gambar 1. Generator Sinkron	Gambar 2. Generator Asinkron

 

Pada bagian kali ini Kita akan membahas mengenai Generator Sinkron atau juga disebut dengan Synchronous generator. Generator Sinkron adalah sumber utama dari seluruh energi listrik yang kita gunakan. Mesin ini adalah mesin terbesar di dunia yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan daya mencapai 1500 MW. Disebut dengan generator sinkron karena jumlah putarannya sinkron atau sama dengan jumlah frekuensinya. Misalnya jika jumlah f = 100 Hz maka jumlah putarannya 100 x perdetik atau 100x60=6000 putaran permenit, sehingga disebut mesin sinkron. Generator sinkron terdiri dari dua jenis, yaitu generator sinkron AC tiga fasa yang sering digunakan pada pembangkit dengan kapasitas besar atau generator sinkron AC satu fasa untuk kapsitas kecil.

 Bagian-bagian Generator Sinkron :

A.   Stator atau armatur adalah bagian dari mesin yang tidak bergerak dan berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui armatur yang berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Stator terbuat dari bahan ferromagnetic yang berbentuk laminasi untuk mengurangi  rugi-rugi arus pusar.  

Gambar 3. Generator Sinkron dengan daya 500 MVA

Stator generator Sinkron terdiri dari berberapa bagian :

1.  Inti Stator yang berbentuk cincin laminasi yang diikat serapat mungkin untuk menghindari rugi-rugi arus eddy (eddy current). Pada inti Stator terdapat slot-slot yang berfungsi untuk menempatkan konduktor dan mengatur arah medan magnetnya. Untuk mencegah arus pusar dan panas yang timbul, maka inti stator terbuat dari lempengan baja tipis yang terisolasi satu sama lain.

Gambar 4. Inti Stator

2.  Belitan Stator adalah bagian yang terdiri dari berberapa batang konduktor yang terdapat pada slot-slot dan ujung-ujung kumparan. Masing-masing slot harus dihubungkan agar memperoleh tegangan induksi.

Gambar 5. Belitan Stator

3.  Alur Stator adalah bagian stator yang berfungsi sebagai tempat belitan stator ditempatkan

                                                        Gambar 6. Alur Stator

4.  Rumah Stator adalah bagian stator yang berbentuk silinder dan umumnya terbuat dari besi tuang. Bagian belakang dari  rumah stator terdapat sirip-sirip untuk alat bantu dalam proses pendinginan.

Gambar 7. Rumah Stator 

B. Rotor adalah bagian generator sinkron yang berputar atau bergerak. Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang akan menghasilkan tegangan dan selanjutnya akan diinduksikan ke stator. Antara rotor dan stator dipisahkan oleh celah udara (air gap) yang berfungsi untuk menurunkan suhu pada generator.

Gambar 8. Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

Rotor terdiri dari dua bagian umum, yaitu:

1.  Slip ring adalah cincin logam yang melinngkari poros rotor yang dipisahkan oleh isolator tertentu. erminal kumparan rotor dipasangkan ke slipring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush)yang letaknya menempel pada slip ring.

2.  Kumparan Rotor (Kumparan Medan) adalah bagian yang berfungsi untuk menghasilkan medan magnet. Kumparan mendapatkan arus searah dari sumber eksitasi tertentu.

3.  Poros Rotor adalah tempat kumparan medan, di mana pada poros rotor tersebut telah terbentuk slot-slot secara parallel terhapad poros rotor.

Gambar 9. Poros Rotor 

4.    Kutub, terdiri dari 2 jenis yaitu :

                                                            Gambar 10. Poros Rotor

a.     Kutub Menonjol (salient pole) untuk generator dengan kecepatan medium dan rendah. Pada Kutub menonjol  Belitan medan dililitkan pada badan kutub, pada sepatu kutub jugadipasang belitan peredam (danryer winiling). Belitan kutub dari tembaga,badan kutub dan sepatu kutub dari besi lunak.

b.    Kutub Silinder untuk generator dengan kecepatan tinggi terdiri dari alur-alur yang dipasang kumparan medan juga ada gigi-gigi. Alur dan gigi tersebut terbagi atas pasangan-pasangan kutub.

5.    Belitan Jangkar yang terdapat pada stator yang disebut juga belitan stator di rangkai untuk hubungan tiga fasa yang terdiri dari :

a.     Belitan satu lapis (single layer winding), yang terdiri atas dua macam:

§  Mata Rantai (concentris or chain winding)

§  Gelombang (wave) 

b.    Belitan dua lapis (double layer winding), yang terdiri juga dua macam :

§  Jenis gelombang (wave)

§  Jenis gelung (lap)

’

Gambar 11. Rangkaian belitan jangkar di stator Mesin Sinkron

(a). Konsentris atau spiral

(b). Gelung (lap)

(c). Gelombang(wave) 

C. Eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator atau sebagai pembangkit medan magnet sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik. Magnet adalah komponen utama dari rotor pada sebuah generator. Magnet dapat berupa magnet permanen maupun magnet yang dibangkitkan dengan kumparan. Untuk generator yang menggunakan magnet buatan, maka diperlukan arus listrik yang mengalir ke kumparan tersebut. Proses dari pembangkit medan magnet secara buatan pada generator inilah yang disebut dengann proses Eksitasi.

                                        Gambar 12. Generator dengan eksitasi

Pada generator dengan sistem eksitasi, berlaku:

èBesar tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator = besar medan magnet di dalamnya.

èSedangkan, besar medan magnet di dalamnya = arus eksitasi yang dibangkitkan.

èDapat disimpulkan bahwa tegangan yang dihasilkan oleh generator dipengaruhi oleh arus eksitasi yang dibangkitkan pada magnet.

Jika arus eksitasi sama dengan nol, maka tegangan listrik generator juga sama dengan nol. Atas dasar inilah sistem eksitasi dapat disebut dengan sistem amplifier, karena sejumlah kecil dapat mengontrol sejumlah daya yang lebih besar. Prinsip inilah yang digunakan untuk mengontrol tegangan keluaran generator. Jika tegangan sistem turun maka arus eksitasi harus ditambah, dan jika tegangan sistem terlalu tinggi maka arus eksitasi dapat diturunkan.

Secara umum sistem eksitasi  terbagi menjadi dua, yaitu :

a.     Sistem Eksitasi Berputar adalah sistem eksitasi yang membangkitkan arus listrik DC dengan menggunakan semacam generator berukuran kecil yang ikut berputar dengan generator utama. Ada dua macam sistem eksitasi berputar, yaitu:

1. Tipe yang menggunakan brush (sikat). Tipe klasik ini memerlukan komponen slip-ring untuk menghubungkan arus yang dibangkitkan oleh sistem eksitasi dengan rotor generator. Sehingga tipe ini memerlukan perawatan yang berjangka.

2.  Tipe brushless. Tipe ini lebih modern karena sistem eksitasi berada satu poros dengan generator utama. Supply arus dari sistem eksitasi kumparan magnet generator dihubungkan dengan plat dioda.

b.    Sistem Eksitasi Statis adalah sistem eksitasi yang tidak menggunakan generator kecil sebagai pembangkit arus DC untuk  generatorn utamanya. Melainkan menggunakan arus listrik yang keluar dari generator yang “disearahkan” menjadi DC dan kemudian dialirkan menuju rotor generator utama.

Gambar 13. Tipe sikat pada Sistem Eksitasi Generator Sinkron

Jarak antara sisi belitan dan cara meletakan belitan pada alur/slot akan menimbulkan factor kisar atau factor gawang (factor pitch) dan factor distribusi (distribution factor). Berikut penjelasan mengenai faktor Kisar dan faktor Distribusi.

D.   Faktor kisar atau factor gawang (factor pitch)

Apabila kisar atau gawang antara sisi lilitan yang satu dan sisi lilitan yang lain sama dengan jarak antara kutub magnet yaitu 180⁰ listrik, maka lilitan tersebut dikatakan mempunyai gawang penuh atau kisar penuh.

Gambar 14. Kisar atau lilitan jangkar

Apabila jarak antara sisi lilitan yang satu dengan sisi lilitan yang lainnya kurang dari 180⁰ listrik, maka lilitan tersebut disebut memiliki kisar pendek (gawang pendek).

Faktor kisar atau faktor gawang (factor pitch) atau K_c atau K_p merupakan perbandingan antara kisar pendek dengan kisar penuh, dengan persamaan sebagai berikut :

 

E.   Faktor distribusi

Lilitan jangkar pada setiap fasa tidak dapat dipusatkan hanya pada satu alur/slot tetapi didistribusikan pada berberapa alur/slot menyebabkan suatu faktor yang disebut factor distribusi (K_d), dengan persamaan :

Dengan

m : banyaknya alur/fase/kutub 

F.   Prinsip Kerja Generator Sinkron

Generator sinkron bekerja berdasarkan induksi elektromagnetis. Setelah rotor diputar oleh penggerak mula (prime mover), dengan-dengan demikian kutub-kutub yang terdapat pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub diberi arus searah (DC) maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnet (garis-garis gaya fluks) yang beputar dengan kecepatan yang sama dengan putaran kutub.      

Garis-garis gaya fluks yang berputar akan memotong kumparan jangkar pada stator sehingga pada kumparan jangkar akan timbul EMF atau GGL atau tegangan induksi. Frekuensi EMF (GGL) atau tegangan induksi tersebut memilki persamaan:

dengan P: banyaknya kutub

N:kecepatan putar (rpm).

Besarnya tegangan induksi yang timbul pada kumparan jangkar yang ada di stator akan mengikuti persamaan:

Eo = c.n. ɸ  atau

Eo= 4,4 kc kd f ɸ T vol fase

 Dimana :

c = konstanta mesin n = kecepatan putaran (rpm) ɸ = fluks yang dihasilkan oleh              If kc = faktor kisar

kd = faktor distribusi f = frekuensi dalam Hz atau cps Ф = fluks/ kutub dalam Weber T = banyaknya lilitan / fase =1/2 Z dengan Z                 adalah banyaknya sisi lilitan per fase, satu lilitan       ada 2 sisi

G.  Generator sinkron Berbeban

Jika generator serempak belum berbeban maka EMF (E) yang dibangkitkan pada kumparan jangkar yang ada di stator sarna dengan tegangan terminalnya (V).

Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan pada:

=>Jatuh tegangan karena resistansi jangkar (Ra) sebesar  (I Ra).

=>Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (XL) sebesar (I X_L).

=>Jatuh tegangan karena reaktansi jangkar (I Xa).

1. Resistansi jangkar (Ra).

Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.

2. Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (XL).

Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut  Fluks Bocor

3. Jatuh tegangan karena reaksi jangkar.

adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (ΦA) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar:

Reaksi jangkar disebabkan oleh arus beban (I) yang mengalir pada kumparan jangkar arus tersebut akan menimbulkan medan yang melawan medan utama sehingga seolah-olah jangkar mempunyai reaktansi sebesar Xa. Reaktansi bocor (X_L) dan reaktansi karena reaksi jangkar (Xa) akan menimbulkan reaktans sikron sebesar (X_s) yang mengikuti persiamaan berikut:

   Xs = X_L + Xa

Hubungan Xs dengan Isc, dan Eo

Dimana :

      Ea = tegangan induksi pada jangkar

      V = tegangan terminal output (Volt)

      Ra = resistansi jangkar (Ω)

      Xs = reaktansi sinkron (Ω)

H.  Diagram generator Sinkron

Diagram vektor (diagram phasor) dari generator sinkron terbagi menjadi 3:

1.    Diagram Vektor untuk Beban non Induktif

Dalam kasus ini vector tegangan terminal dan vector arus sefase atau faktor kerjanya satu (unity)

Dari diagram vektor pada gambar dibawah berikut: dapat dituliskan persamaan tegangannya sebagai berikut :

Gambar 15. Diagram vektor dari generator sinkron non induktif.

dapat dituliskan persamaan tegangannya sebagai berikut :

 

Atau

2.    Diagram Vektor untuk Beban Induktif (lagging)

Bila generator sinkron berbeban, dimana bebannya induktif maka vektor arus tertinggal atau mengikuti (lagging) terhadap vektor tegangan, seperti pada gambar dibawah berikut:

Gambar 16. Diagram vektor dari generator sinkron yang berbeban induktif

Dari diagram vektor pada gambar diatas dapat dituliskan persamaan tegangannya sebagai

berikut:

3.    Diagram Vektor untuk Beban Kapasitif (leading)

Bila generator sinkron bekerja dengan beban kapasitif dimana vektor arus akan mendahului (leading) terhadap vektor tegangan, perhatikan gambar dibawah berikut:

Gambar 17. Diagram vektor dari generator sinkron yang berbeban Kapasitif

Dari gambar diagram vektor tersebut dapat dituliskan Persamaan tegangannya sebagai berikut:

I.     Regulasi tegangan generator Sinkron

Perubahan beban pada generator sinkron akan menyebabkan perubahan tegangan pada terminalnya. Perubahan tersebut tidak hanya bergantung pada perubahan beban, akan tetatapi juga bergantung pada factor beban (faktor kerja=faktor daya). Hal tersebut menyebabkan munculah istilah regulasi tegangan yang diartikan sebagai kenaikan tegangan bila beban penuh dilepas di mana penguatannya (eksitasi) serta kecepatannya tetap, dibagi dengan tegangan terminal, atau dirumuskan sebagai berikut:

dengan catatan :

1. Eo- V bukan Pengurangan vektor

2. untuk beban dengan faktor daya mendahului (beban kapasitif), dapat menjadi regulasi negatif. karena tegangan terminal (V) ada kalanya lebih tinggi dari Eo.

3. Persariaan regulasi tegangan tersebut untuk generator serempuk yang

mempunyai kapasitas kecil

karakteristik tegangan generator sinkron sehubungan dengan rcgulasi tegangan tersebut dapat di gambarkan sebagai berikut :

Gambar 18. Diagram faktor daya pada generator sinkron

J.    Efisiensi generator Sinkron

Efisiensi atau daya dari Generator sinkron dapat dihitung dengan cara yang hamper sama dengan generator searah, yaitu :

Atau

Atau

Atau

Atau

Pada kasus generator Sinkron dengan beban, rugi-rugi yang dialami sebagai berikut:

1.    Rugi-rugi rotasi yang terdiri dari :

a.     Rugi angin dan geseran.

b.    Rugi geseftm sikat pada cincin geser

c.     Rugi ventilasi pada waktu pendinginan mesin.

d.    Rugi histerisis dan arus pusar di stator. 

2.    Rugi-rugi listrik yang terdiri dari :

a.     Rugi pada kumparan medan.

b.    Rugi pada kumparan jangkar,

c.     Rugi pada kontak sikat. 

3.    Rugi eksitasi yang di pakai untuk penguatan

4.    Rugi beban sasar (stray load loss)