" Pengenalan dan Pemodelan Generator Serempak "

2.1.1 Umum

Generator serempak adalah mesin serempak yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik arus bolak-balik (AC). Daya mekanik ini berasal dari prime mover misalnya saja turbin air,turbin angin,turbin uap ataupun lainnya.

        Seperti mesin listrik lainnya, generator serempak terdiri dari dua bagian utama,yaitu bagian yang diam (rotor) dan bagian yang bergerak (stator). Kumparan medan generator serempak terletak pada bagian rotor sedangkan kumparan jangkar berada pada bagian stator.

        Berdasarkan kontruksinya, Pada generator serempak, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk menghasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator serempak pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan non salient (rotor silinder). Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor.

 Gambaran bentuk kutup sepatu generator serempak  diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

   

 Gambar 2.1:  Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 atau 60 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator serempak  diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.2: Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang rotor pada generator serempak

Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:

1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring dan sikat.

2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada batang rotor generator sinkron.

        Dengan demikian,maka generator serempak akan memiliki rangkaian pengganti satu fasa seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut:

                Gambar 2.3 : Rangkaian pengganti generator serempak 

2.1.2 Prinsip Kerja Generator Serempak

Generator serempak bekerja dengan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet homogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Berdasarkan Hukum Biot-Savart, ketika arus listrik mengalir pada suatu kumparan akan timbul medan magnet ,maka pada kumparan kawat rotor akan timbul medan magnet yang besarnya sesuai dengan persamaan :

dengan

B_r :  Medan magnet rotor

µ  : permeabilitas pengantar pada rotor

N_r  : jumlah lilitan kawat pada rotor

I_r  : arus searah yang mengalir pada rotor

l   : panjang penampang pengantar pada rotor

Pada generator 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 dibangkitkan oleh generator serempak pada masing-masing fasa adalah sebagai berikut :

Dengan : E_A = tegangan pada masing-masing fasa (Volt)

           N_c = jumlah lilitan pada kumparan stator

           Φ = fluks yang dihasilkan kumparan rotor (Wb)

           f   = frekuensi (Hz)

Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.4 : Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan

(a)                                                            (b)

Gambar 2.5 : a) Grafik Hubungan arus dan Fluks pada rotor ;(b) Grafik hubungan tegangan yang dihasilkan dengan arus rotor

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.

Apabila generator serempak dihubungkan dengan sistem berbeban ataupun dihubung singkat,maka pada rangkaian stator akan mengalir arus induksi yang merupakan arus bolak-balik. Dengan demikian,walaupun generator serempak mendapatkan catu tegangan arus searah sebagai masukan, generator serempak akan menghasilkan tegangan arus bolak-balik sebagai energi listrik keluarannya.

Dengan : V_t = tegangan terminal yang disuplai generator serempak pada beban

            I_a   = arus yang mengalir pada stator

            R_a = hambatan dalam kawat penghantar stator

                          Gambar 2.6 : Gambar diagram phasor generator serempak

2.1.3 Rangkaian Ekivalen Generator Serempak

Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator serempak. 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.

        Untuk mempermudah dalam menganalisa generator serempak,dapat dibuat rangkaian ekivalen per-fasa.Pada bagian rotor terdapat komponen tahanan dan induktansi dari kumparan. Gambar 2.7 dibawah ini menunjukkan rangkaian ekivalen per-fasa dari generator serempak.

 

        Gambar 2.7 : Rangkaian ekivalen per-fasa dari generator serempak.

dengan :

V_F = tegangan DC yang akan diberikan pada kumparan rotor (Volt)

I_F   = arus yang mengalir pada kumparan rotor (A)

R_F = tahanan  si kumparan rotor (H)

E_A   = ggl yang dibangkitkan pada setiap fasa (Volt)

X_s  = reaktansi serempak (Ω)

R_a  = tahanan kumparan stator (Ω)

I_a    = arus pada stator (A)

V_a  = tegangan keluaran generator (Volt)

        Dari rangkaian diatas,dapat diketahui hubungan E_A  dan V_a yaitu :

V_a = E_A -  (R_{a +} j X_s) I_a  ………………………………..(2.4)

2.1.4 Daya dan Torsi pada Generator Serempak

       Masukan daya dari generator adalah daya mekanik yang disuplai oleh prime mover.Pada keadaan steady state,torsi mekanik prime mover seharusnya seimbang dengan torsi elektromagnetik yang dihasilkan generator dan juga torsi mekanik yang hilang akibat gesekan dan kumparan.

                T_pm = T_em + T_loss ......................................................................(2.5)

                P_pm = P_em + P_loss ……………………………………....(2.6)

dengan :

T_pm : torsi prime mover        P_pm : daya yang disuplai p

T_em : torsi elektromagnetik             P_em  : daya elektromagnetik

T_loss : torsi rugi-rugi mekanik          P_loss : rugi-rugi daya

   Hubungan torsi elektromagnetik dan daya yang dihasilkan generator ditunjukkan pada persamaan 2.7.

2.1.5 Pengaturan Tegangan Pada Generator Serempak

        Besarnya pengaturan tegangan pada generator serempak merupakan nilai perbandingan antara selisih tegangan terminal pada kondisi tanpa beban dan kondisi beban penuh dengan tegangan kondisi beban penuh.

dengan :
V_R= Pengaturan Tegangan

V_a(NL) = Tegangan terminal pada saat tanpa beban (Volt)

V_a(FL) = tegangan terminal pada saat beban penuh (Volt).
Mungkin demikian yang dapat saya bagikan tentang Generator,Semoga bermanfaat...,Sampai jumpa dipostingan selanjutnya.(Sibuea)