GENERATOR SINKRON

Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkrondapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari kebutuhan.

Konstruksi Generator Sinkron

Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan mdan 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 sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan 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.

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 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu.

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.

Prinsip Kerja Generator Sinkron

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin 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 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°.

. 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.

Kecepatan Putar Generator Sinkron

Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:

yang mana:

fe = frekuensi listrik (Hz)

nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)

p = jumlah kutub magnet

Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.

Alternator tanpa beban

Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.

Ea = c.n.fluks

yang mana:

c = konstanta mesin

n = putaran sinkron

f = fluks yang dihasilkan oleh IF

Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF).

Alternator Berbeban

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan pada generator adalah:

Ea = V + I.Ra + j I.Xs (1.3)

Xs = Xm + Xa (1.4)

yang mana:

Ea = tegangan induksi pada jangkar

V = tegangan terminal output

Ra = resistansi jangkar

Xs = reaktansi sinkron

Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron

Tegangan 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:

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.

Menentukan Parameter Generator Sinkron

Harga s X diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.

Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mula-mula arus eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus.

Pengaturan Tegangan (Regulasi Tegangan)

Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). 

Kerja Paralel Alternator

Untuk melayani beban yang berkembang, maka diperlukan tambahan sumber daya listrik. Agar sumber daya listrik yang yang baru (alternator baru) bisa digunakan bersama, maka dilakukan penggabungan alternator dengan cara mempararelkan dua atau lebih alternator pada sistem tenaga dengan maksud memperbesar kapasitas daya yang dibangkitkan pada sistem. Selain untuk tujuan di atas, kerja pararel juga sering dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin (alternator) yang harus dihentikan, misalnya untuk istirahat atau reparasi, maka alternator lain masih bisa bekerja untuk mensuplai beban yang lain. Untuk maksud mempararelkan ini, ada beberapa pesyaratan yang harus dipenuhi, yaitu:

1. Harga sesaat ggl kedua alternator harus sama dalam kebesarannya, dan bertentangan dalam arah, atau harga sesaat ggl alternator harus sama dalam kebesarannya dan bertentangan dalam arah dengan harga efektif tegangan jalajala.

2. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala harus sama

3. Fasa kedua alternator harus sama

4. Urutan fasa kedua alternator harus sama

Bila sebuah generator ’G’ akan diparaelkan dengan jala-jala, maka mula-mula G diputar oleh penggerak mula mendekati putaran sinkronnya, lalu penguatan IF diatur hingga tegangan terminal generator tersebut sama denga jala-jala. Untuk mendekati frekuensi dan urutan fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) digunakan alat pendeteksi yang dapat berupa lampu sinkronoskop hubungan terang.
 

GANGGUAN PADA GENERATOR

 

Berikut ini adalah beberapa gangguan yang dapat terjadi pada generator :


1. GANGGUAN PENGGERAK AWAL
Generator dengan penggerak awal mesin diesel harus dilengkapi dengan pengaman terhadap kerja balik atau gangguan monitoring karena gangguan-gangguan mekanik. Akibat adanya tekanan balik maka generator perlu dilengkapi dengan pengaman gangguan monitoring untuk menghindari kerusakan-kerusakan yang terjadi. Pada saat ada kerusakan pada penggerak awal, maka ada daya balik dalam kumparan stator sehingga generator perlu dilengkapi dengan relai daya balik (Reverse Power Relay) dengan karakteristik tunda waktu terbalik.


2. GANGGUAN HILANG PENGUATAN
Meskipun gangguan pada penguat generator jarang terjadi, namun gangguan ini dapat menyebabkan terganggunya kelangsungan kerja generator. Untuk itu pada generator perlu dilengkapi pengaman terhadap hilang penguatan (Loss of Field Relay).


3. GANGGUAN ARUS LEBIH
Gangguan arus lebih pada generator sering kali terjadi akibat adanya hubung singkat atau beban lebih. Pada saat ini generator telah dibuat sedemikian rupa sehingga mampu bertahan terhadap adanya arus lebih, meskipun tidak terlalu lama. Namun demikian pengaman terhadap arus lebih sangat diperlukan agar generator terhindar dari kerusakan akibat arus lebih yang berkepanjangan (Over Current Relay).


4. GANGGUAN PUTARAN LEBIH
Putaran lebih pada generator disebabkan adanya penurunan beban yang mendadak. Sebenarnya pada generator telah dilengkapi dengan perangkat governor. Pada saat terjadinya pelepasan beban, governor tersebut akan mengatur atau menutup katup darurat (emergency valve) sehingga tidak terjadi putaran yang berlebihan. Namun demikian generator masih perlu dilengkapi dengan pengaman terhadap putaran lebih yang mampu memberikan sinyal triping pada pemutus tenaga (Over Speed Relay)


5. GANGGUAN TEGANGAN LEBIH
Tegangan lebih yang dibangkitkan generator terutama disebabkan oleh putaran lebih akibat pelepasan beban yang mendadak. Governor pada generator mengatur kecepatan putaran agar putarannya tetap normal. Namun, rentang waktu yang diperlukan cukup lama sehingga pada saat itu terjadi tegangan lebih yang sangat membahayakan piranti-piranti kelistrikan lainnya. Tegangan lebih ini akan merusakkan isolasi kumparan generator akibat panas yang berlebihan. (Over Voltage Relay)


6. GANGGUAN KETIDAK SEIMBANGAN BEBAN
Ketidakseimbangan beban generator biasanya disebabkan adanya kebocoran atau hubung singkat penghantar ketanah atau antarpenghantar. Juga bisa disebabkan oleh adanya beban yang tidak seimbang pada ketiga fase generator. Gangguan ini menyebabkan adanya arus urutan negatif yang mengalir pada penghantar bernilai nol. Pada keadaan demikian generator harus segera diamankan agar kerusakan dapat dihindari (Neutral Ground Relay)


7. GANGGUAN ISOLASI
Kegagalan isolasi pada kumparan generator akan menyebabkan gangguan-gangguan hubung singkat , baik hubung singkat didalam kumparan, antar kumparan, maupun hubung singkat kumparan dengan inti besi. Banyak faktor yang menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi, antara lain terjadinya tegangan lebih, panas yang berlebihan pada kumparan, kerusakan pada sistem pendingin atau ventilasi maupun adanya vibrasi yang berlebihan.

 GeneratorArus Searah

Generator adalah mesin yang dapat mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik melalui proses induksi elektromagnetik. Generator ini memperoleh energi mekanis dari prime mover atau penggerak mula. Prinsip kerja dari generator sesuai dengan hukum Lens, yaitu arus listrik yang diberikan pada stator akan menimbulkan momen elektromagnetik yang bersifat melawan putaran rotor sehingga menimbulkan EMF pada kumparan rotor.

Tegangan EMF ini akan menghasilkan suatu arus jangkar. Jadi diesel sebagai prime mover akan memutar rotor generator, kemudian rotor diberi eksitasi agar menimbulkan medan magnit yang berpotongan dengan konduktor pada stator dan menghasilkan tegangan pada stator. Karena terdapat dua kutub yang berbeda yaitu utara dan selatan, maka pada 90o pertama akan dihasilkan tegangan maksimum positif dan pada sudut 270o kedua akan dihasilkan tegangan maksimum negatif. Ini terjadi secara terus menerus/continue. Bentuk tegangan seperti ini lebih dikenal sebagai fungsi tegangan bolak-balik.


Generator arus bolak-balik sering disebut sebagai generator sinkron atau alternator. Generator arus bolak-balik memberikan hubungan yang sangat penting dalam proses perubahan energi dari batu bara, minyak, gas, atau uranium ke dalam bentuk yang bermanfaat untuk digunakan dalam industri atau rumah tangga. Dalam generator arus bolak-balik bertegangan rendah yang kecil, medan diletakan pada bagian yang berputar atau rotor dan lilitan jangkar pada bagian yang diam atau stator dari mesin

Prinsip Kerja Generator AC


Gambar : Rangkaian Ekivalen Generator AC


Gambar : Prinsip Kerja Generator AC

Generator AC bekerja berdasarkan atas prinsip dasar induksi elektromagnetik. Tegangan bolak-balik akan dibangkitkan oleh putaran medan magnetik dalam kumparan jangkar yang diam. Dalam hal ini kumparan medan terletak pada bagian yang sama dengan rotor dari generator. Nilai dari tegangan yang dibangkitkan bergantung pada :
1. Jumlah dari lilitan dalam kumparan.
2. Kuat medan magnetik, makin kuat medan makin besar tegangan yang
diinduksikan.
3. Kecepatan putar dari generator itu sendiri.
Prinsip generator ini secara sederhana dapat dijelaskan bahwa tegangan akan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya. Hukum tangan kanan berlaku pada generator dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah medan magnet, dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi. Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan.
Terdapat dua jenis konstruksi dari generator ac, jenis medan diam atau medan magnet dibuat diam dan medan magnet berputar.

Eksitasi Generator AC

Sistem eksitasi secara konvensional dari sebuah generator arus bolak-balik terdiri atas sumber arus searah yang dihubungkan ke medan generator ac melalui cincin-slip dan sikat-sikat. Sumber dc biasanya diperoleh dari generator arus searah yang digerakkan dengan motor atau penggerak mula yang sama dengan penggerak mula generator bolak-balik. Setelah datangnya zat padat, beberapa sistem eksitasi yang berbeda telah dikembangkan dan digunakan. Salah satunya adalah daya diambil dari terminal generator ac, diubah ke daya dc oleh penyearah zat padat dan kemudian dicatu ke medan generator ac dengan menggunakan cincin-slip konvensional dan sikat-sikat.

Dalam sistem serupa yang digunakan oleh generator dengan kapasitas daya yang lebih besar, daya dicatukan ke penyearah zat padat dari lilitan tiga fase terpisah yang terletak diatas alur stator generator. Satu-satunya fungsi dari lilitan ini adalah menyediakan daya eksitasi untuk generator. Sistem pembangkitan lain yang masih digunakan baik dengan generator sinkron tipe kutub-sepatu maupun tipe rotor-silinder adalah sistem tanpa sikat-sikat, yang mana generator ac kecil dipasang pada poros yang sama sebagai generator utama yang digunakan untuk pengeksitasi. Pengeksitasi ac mempunyai jangkar yang berputar, keluarannya kemudian disearahkan oleh penyearah dioda silikon yang juga dipasang pada poros utama.

Keluaran yang telah disearahkan dari pengeksitasi ac, diberikan langsung dengan hubungan yang diisolasi sepanjang poros ke medan generator sinkron yang berputar. Medan dari pengeksitasi ac adalah stasioner dan dicatu dari sumber dc terpisah. Berarti tegangan yang dibangkitkan oleh generator sinkron dapat dikendalikan dengan mengubah kekuatan medan pengeksitasi ac. Jadi sistem pengeksitasi tanpa sikat tidak menggunakan komutator yang akan memperbaiki keandalan dan menyederhanakan pemeliharaan umum.

Sistem Start

Ada tiga macam jenis start yang dapat dilakukan pada generator yaitu :
1. Dengan Penggerak Mula
Untuk sistem start dengan penggerak mula biasanya berupa mesin diesel untuk kapasitas daya yang kecil, turbin air atau turbin uap untuk kapasitas daya menengah dan turbin uap untuk kapasitas daya yang sangat besar.

2. Pengubah Frekuensi
Motor sinkron mendapat pengisian dari sebuah generator sinkron khusus. Pengisian dilakukan dengan arus tukar berfrekuensi variabel dari hampir nol hingga mencapai frekuensi nominal. Dengan demikian motor sinkron mengalami start mulai putaran hampir nol hingga mencapai putaran nominal.

3. Sebagai Generator Rotor Sangkar/Start Asinkron
Dalam hal ini rotor mesin dilengkapi suatu belitan yang bekerja sebagai sangkar asinkron. Dengan demikian selama start mesin bekerja sebagai motor tak serempak. Dengan start asinkron pada kumparan medan dapat dihasilkan gaya-gaya gerak listrik yang tinggi, disebabkan jumlah lilitan magnet yang biasanya besar. Gaya-gerak listrik yang tinggi ini bukan saja dapat merusak mesin, melainkan dapat juga menimbulkan bahaya bagi personil yang melayani mesin sinkron itu. Untuk menghindari bahaya ini kumparan magnet selama start dapat dibagi dalam beberapa belitan, yang masing-masing dihubungsingkatkan. Setelah mencapai putaran sinkron, hubungan ini dilepaskan. Dalam hal ini sistem start yang digunakan pada generator set GSC 05 adalah dengan penggerak mula.

Dua bagian utama generator arus searah yakni :

1.    Rotor adalah bagian generator yang berputar, terdiri dari :

§  Poros jangkar

§  Inti jangkar

§  Komutator

§  Kumparan jangkar

2.    Motor adalah bagian generator yang tidak berputar, terdiri dari :

§  Kerangka generator

§  Kutub utama dengan belitannya

§  Kutub pembantu dengan belitannya

§  Bantalan poros

§  Sikat

 

Jenis belitan jangkar meliputi :

1.       Belitan jerat (lap winding)

  a = p

2.       Belitan gelombang (wave winding)

  a = 2

  Dimana :

  p = jumlah pasangan

  a = jumlah kutub

 

Persamaan dalam perhitungan generator arus searah

Ea = V + Ia Ra

Ea = (Ø Z N/60) x (P/a)

Dimana :

Ea = Gaya gerak listirk yang dibangkitkan pada jangkar generator

V = Tegangan terminal generator yang diberikan

Ia = Arus jangkar

Ra = Tahanan jangkar

Ø = Fluks per kutub

Z = Jumlah konduktor

N = Kecepatan putaran (rpm)

a = Jumlah kutub

Macam – macam generator arus searah :

1.     Generator mesin berpenguatan luas

2.     Generator mesin berpenguatan sendiri, meliputi :

§  Mesin hubungan seri

§  Mesin hubungan parallel (shunt)

§  Mesin hubungan kompon (gabungan seri dan parallel)

Adapun rugi – rugi yang terjadi pada generator, diantaranya :

1.     Rugi – rugi tembaga, antara lain :

§  Pada kumparan medan shunt

§  Pada kontak sikat

§  Pada jangkar

§  Pada kumparan medan seri

§  Pada lilitan – lilitan medan tambahan misalnya belitan dan kompensasi

2.     Rugi – rugi besi/mekanis, antara lain :

§  Pada besi

        §  Pada gesekan

Tiga karakteristik generator DC, yakni :

1.     Karakteristik penjenuhan beban nol (Eo/If)

Disebut juga sebagai karakteristik magnetic atau untai terbuka.

2.     Karakteristik total atau karakteristik dalam (E/Ia)

3.     Karakteristik luar (V/IL)