SYNCHRONOUS MACHINES / Mesin Sinkron

SYNCHRONOUS MACHINES / Mesin Sinkron

Keywords: generator sinkron, motor sinkron, automatic voltage regulator, kurva- V, synchronizing power, hunting, excitation system

Isi

1. Pendahuluan

2. Types Mesin sinkron

3. Generators sinkron rotor silinder

4. Motor sinkron

5. Excitation System / Sistem eksitasi

Rangkuman

Mesin sinkron dapat digunakan sebagai pembangkit arus bolak balik / alternating current (AC) generators. Menyuplai energi yang digunakan pada semua sektor masyarakat moderen seperti : industri, Kommercial, pertanian dan rumah tangga. Mesin sinkron dpat juga digunakansebagi motor dengan kecepatan konstan., atau sebagai kompensator pada pengendalian daya reaktif pada system tenaga yang besar. Disini dejelaskan tentang konstruksi dan perinsip kerja mesin sinkron. Penjelasan diarahkan ke masalah efek pembebenan dan medan eksitasi

1. Pendahuluan

Synchronous machine adalah konventer energi elektromekanik yang penting. Synchronous generators biasanya beroprasi secara parallel untuk menyuplai system daya yang besar pada konsumen. Untuk aplikasi ini generator dibuat dalam rating daya yang besar dari puluhan hingga ratusan Megawatt.

Untuk Mesin dengan kecepatan tinggi umumnya digunakan penggerak utama turbin uap dengan bahan bakar fosil atau nuklir. Sedangkan pada mesin kecepatan rendah lebih sering digerakkan dengan turbin air. Untuk mesin sinkron yang lebih kecil lagi , yang digunakan untuk pemakaian pribadi atau unit cadangan ,pengggerak utamanya menggunakan mesin diesel

Synchronous machines dapat juga digunakan sebagai motor yang memerlukan kecepatan konstan. Lain halnya dengan motor induksi/asinkron yang selalu bekerja pada kondisi lagging power factor , motor sinkron dapat bekerja pada variasi power-factor , bahkan dapat digunakan sebagai koreksi power factor.

Sebuah motor sinkron yang bekerja tanpa beban mekanik disebut juga compensator. Pada kondisi ini motor dapat bersifat sebagi variable capacitor ketika dikondisikan medan eksitasi berlebih , dan bersifat variable indukstor pada saat eksitasi kurang /underexcited, sehingga sering digunakan pada posisi kritis dalam system tenaga untuk pengendali daya reaktif.

2. Type Mesin Synchronous

A. Menurut susunan/posisi lilitan medan dan lilitan jangkar (armature windings), mesin sinkron dapat dibagi menjadi :

1. Tipe jangkar berputar (rotating-armature type) atau

2. Tipe medan berputar (rotating-field type.)

2.A.1. Rotating-Armature Type

Pada tipe ini lilitan jangkar yang berputar atau ditempatkan pada rotor sedangkan lilitan medan /field system ditempatkan pada stator . Arus yang dihasilkan generator disalurkan ke beban melalui tiga buah cincin geser / slip-rings (3 phasa). Untuk menyalurkan arus yang besar , pada tipe ini akan timbul masalah isolasi pada sikat/brush, sehingga arus keluaran harus dibatasi, sehingga tipe ini hanya digunakan untuk daya kecil, dan untuk memperbesar arus eksitasi digunakan system eksitasi tanpa sikat/ brushless excitation systems.

2.A.2. Rotating-Field Type

Pada tipe ini adalah kebalilkan dari tipe diatas pada sisi posisi lilitan jangkar dan medan. Pada tipe ini lilitan jangkar/armature winding ditempatkan pada stator dan lilitan medan pada / field system ditempatkan pada rotor. Pada tipe ini arus medan disuplai sumber tegangan dc / exciter melalui dua buah slip-rings, sedangkan arus jangkar secara langsung dialirkan dari lilitan jangkar ke beban tanpa melalui slip-ring, sehingga besar arus yang dihasilkan dapat disesuaikan dengan luas penampang kabel lilitan jangkar pada stator. Tipe ini umumnya digunakan pada daya yang besar bahkan sangat besar. Unless otherwise stated, the subsequent discussion refers specifically to rotating-field type synchronous machines.

B. Menurut Bentuk Konstruksi Rotor Lilitan Medan

Mesin synchron dapat diklasifikasikan sebagi :

2.B.1 Rotor silinder (cylindrical-rotor (non-salient pole) machines) (gambar 1) dan

Konstruksi rotor silinder digunakan pada generator yang beroperasi untuk kecepatan tinggi, seperti generator turbin uap (umumnya mesin dua kutub).

Ukuran diameter lebih kecil dibandingkankan panjangnya, untuk mmengurangi stress mekanik yang diakibatkan oleh gaya sentrifugal yang besar.

Gambar 1. Rotor silinder

2.B.2 Rotor kutub menonjol (salient-pole machines) (gambar 2).

Konstruksi rotor kutub menonjol digunakan pada generator AC dengan kecepatan rendah (seperti PLTA) dan motor sinkron. Karena kecepatannya rendah umumnya mempunyai jumah kutub yang banyak. Dan perbandingan ukuran diameter lebih besar dari panjangnya.. Kumparan medan dililitkan pada badan rotor tegak lurus terhadap kutubnya, suatu lilitan peredam / damper winding biasanya ditempatkan pada slot di permukaan kutub untuk start awal motor dan perbaikan stabilitas mesin.

Gambar 2. Rotor kutub menonjol

3. Cylindrical-Rotor Synchronous Generators

3.1. Synchronous Generator Supplying an Isolated Load / Generator Tanpa Beban

3.1.1. Prinsip

Suatu generator sinkron dieksitasi pada arus medan dengan kecepatan konstan, maka akan dibangkitkan tegangan seimbang pada lilitan armature. Maka jika terhubung dengan beban seimbang, akan terjadi aliran arus seimbang dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi tegangan. Karena frekuensi tegangan ggl adalah tergantung pada kecepatan rotor , sementara kecepatan ggm adalah berhubungan dengan frekuensi arus, maka mmf armature berputar sinkron dengan medan rotor. Kenaikan kecepatan rotor akan menghasilkan frekuensi ggl dan ggm naik pula, sementara power factor ditentukan oleh sifat beban.

The effect of the armature mmf on the resultant field distribution is called armature reaction. Since the armature mmf rotates at the same speed as the main field, it produces a corresponding emf in the armature winding. For steady-state performance analysis, the per-phase equivalent circuit shown in Figure 3 is used. The effects of armature reaction and armature winding leakage are considered to produce an equivalent internal voltage drop across the synchronous reactance Xs, while the field excitation is accounted for by the open-circuit armature voltage Ef. The impedance Zs = (R + jXs) is known as the synchronous impedance of the synchronous generator, where R is the armature resistance.

Figure 3. Per-phase equivalent circuit of synchronous generator

Persamaan rangkaian generator sinkron adalah :

Ef = V + I*Zs (1)

Gambar 4 menunjukkan diagram phasor generator sinkron rotor silinder dengan beban pada factor daya lagging. Dengan adanya drop tegangan pada impedansi sinkron, maka tegangan terminal V akan lebih kecil dari nilai tegangan rangkaian terbuka (open-circuit voltage/Vo.c ) Ef. Pada saat mesin bekerja sebagai generator/generator operation, maka phasor Ef mendahului phasor tegangan terminal V sebesar sudut , atau disebut sudut beban/load angle.

Figure 4. Phasor diagram of cylindrical-rotor synchronous generator supplying a lagging power factor load load angle; power factor angle.

3.1.2. Voltage Regulation

Voltage regulation : adalah perbandingan antara selisih tegangan terminal pada saat tanpa beban (VNL) dan saat berbeban (VFL) dengan tegangan terminal pada saat beban penuh. Secara matematis ditulis dalam bentuk persentase (%) atau perunit.

Per-unit voltage regulation = (VNL VFL )/ VFL = (Ef V)/ V

Persentase voltage regulation = [(VNL VFL )/ VFL ] x 100%

Gambar 5 menunjukkan perubahan tegangan terminal dengan arus beban pada kondisi medan eksitasi konstan. Ketika beban bersifat resistif atau induktif ,maka teganan terminal akan menurun seiring dengan menaiknya arus beban; Ketika kondisi beban bersifat capacitive, tegangan terminal V bias terjadi melebihi tegangan rangkaian terbuka (open-circuit voltage).

Figure 5. Voltage characteristics of cylindrical-rotor synchronous generator at constant

field excitation (a) zero power factor leading; (b) 0.8 power factor leading;

(c) 0.9 power factor leading; (d) unity power factor; (e) 0.9 power factor lagging;

(f) zero power factor lagging.

Pada prakteknya nilai excitasi medan berubah-ubah untuk mejaga agar tegagnan beban konstan, untuk hal ini digunakan alat yang disebut automatic voltage regulator (AVR). Gambar 6 menunjukan perubahan nilai arus medan dengan arus beban pada saat nilai tegangan dijaga konstan, grafik ini dikenal dengan karakteristik eksitasi/excitation characteristics.

Figure 6. Excitation characteristics of cylindrical-rotor synchronous generator at constant voltage (a) zero power factor leading; (b) 0.8 power factor leading;

(c) 0.9 power factor leading; (d) unity power factor; (e) 0.9 power factor lagging;

(f) zero power factor lagging.

3.2. Synchronous Generator Connected to the Grid / Generator berbeban

Secara praktek , gen. sinkron jarang dalam kondisi tanpa beban. Sebagain besar mesin sinkron terhubung secara paralel untuk menyuplai beban, suatu bentuk system daya yang besar / jaringan biasa dikenal dengan grid. Tegangan dan frequency dari grid dijaga tetap konstan.

Saat generator synchron terhubung dengan grid, nilai kecepatan rotor dan terminal tegangan adalah tetap konstan / fixed sesuai grid dan hal ini disebut dengan infinite busbars. Secara umum, perubahan excitasi medan akan merubah nilai operating power factor, sementara perubahan daya input mekanik akan menyebabkan perubahan yang berhubungan dengan daya output electric.

3.2.1. Synchronizing Procedure

Synchronizing adalah proses memparalelkan mesin sinkron dengan infinite busbars .

Sebelum generator synchron dapat sinkron dengan busbar, harus mengikuti sayarat-syarat berikut :

the Tegangan generator harus sama dengan tegangan infinitive busbars; atau dengan

generator lain yang akan bekerja parallel

Frequency generator harus sama dengan busbars;

Urutan phasa generator harus sama dengan busbars; dan

Saat synchronizing, phasa tegangan generator dan busbars harus berimpit

Synchronizing dapat terlaksana dengan bantuan lampu sinkronisasi / synchronizing lamps. Alternatif lain dapat digunakan peralatan yang dikenal dengan synchroscope yang bekerja secara otomatis synchronizing.

3.2.2. Operating Conditions of Synchronous Generator

Kondisis oprasi generator tergantung pada medan eksitasi input daya mekanik, synchronous generator beroprasi hanya pada satu kondidi seperti pad gambar 7. Phasor diagrams menunjukan bahwa saat synchronous generator beroperasi pada infinite busbars, kondisi overexcitation / penguatan lebih akan menyebabkan mesin bekerja pada lagging power factor, dan pada kondisi underexcitation / penguatan kurang akan menyebabkan generator bekerja pada kondisi leading power factor. The synchronous generator is thus a source or sink of reactive power.

3.2.3. Power/Load Angle Relationship

Suatu terminal voltage V sebagai referensi phasor, dan dinyatakan dengan pers. (1) dalam bentuk polar ,

Dimana s = sudut impedance synchronous .

Arus armature I adalah :

Dengan perkataan lain ;

Figure 7. Phasor diagrams of cylindrical-rotor synchronous generator connected to the grid (a) floating condition; (b) unity power factor operation; (c) lagging power factor operation; (d) leading power factor operation.

Komponen aktif arus armature adalah :

Daya output per phase adalah :

Karena nilai R