studi analisa daya keluaran generator...
TRANSCRIPT
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
1
STUDI ANALISA DAYA KELUARAN
GENERATOR SINKRON TIGA PHASA
DENGAN ROTOR SILINDER
O
L
E
H
EDUWARD ALIANSYAH
Nim. 990422014
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSION
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
2
STUDI ANALISA DAYA KELUARAN
GENERATOR SINKRON TIGA PHASA
DENGAN ROTOR SILINDER
Oleh:
EDUWARD ALIANSYAH
Nim. 990422014
Disetujui oleh:
Pembimbing
Ir. Mustafrind Lubis
Nip. 130 353 117
Diketahui oleh:
Ketua. Departemen Teknik Elektro FT. USU
Prof. Dr. Ir. Usman Baafai
Nip. 130 365 322
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
3
A B S T R A K
Kemampuan daya keluaran generator sinkron tidak lepas dari proses
timbulnya panas yang disebabkan oleh rugi – rugi stator maksimum, rugi – rugi
rotor maksimum, dan rugi – rugi inti. Sedangkan faktor – faktor yang
mempengaruhi kenaikan temperatur pada generator sinkron yang beroperasi
adalah faktor yang menimbulkan panas yaitu rugi – rugi tembaga, rugi – rugi inti
besi dan rugi – rugi gesek atau angin. Dan dipengaruhi oleh faktor pendingin yaitu
volume udara melalui lobang pendingin. Juga faktor perpindahan panas yaitu
ketebalan isolasi belitan. Perpindahan panas juga dilakukan secara konveksi paksa
yaitu secara radial dan secara aksial.
Studi ini mengkhususkan menganalisa pada generator sinkron tiga phasa
dengan rotor silinder, dengan membandingkan antara daya yang terdapat pada
name plate generator dengan percobaan yang dilakukan pada laboratorium mesin
mesin listrik. Apakah daya yang terdapat pada name plate tersebut sesuai dengan
kemampuan sebenarnya dari generator tersebut. Dengan membandingkan daya
keluaran tersebut kita dapat mengatahui kemampuan sebenarnya dari generator
tersebut sehingga kita dapat mengatur pemakaian dari generator tersebut sehingga
lebih efisien dan usia pemakaian dari generator tersebut menjadi lama.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
4
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan
karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Dalam hal ini penulis
mengambil judul “Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga
Phasa Dengan Rotor Silinder”. Sholawat serta salam selalu terlimpahkan
kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW serta kepada para pengikutnya.
Penulisan tugas sarjana ini ditujukan sebagai salah syarat untuk
mengikuti sidang tugas sarjana di Departemen Teknik Elektro, Program
Pendidikan sarjana Ekstensi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara,
Medan.
Penulis menyadari bahwa dalam Penulisan Tugas Akhir ini masih banyak
kekurangan ataupun kesalahan, untuk itu penulis berharap adanya kritik dan saran
yang sifatnya membangun dari para pembaca untuk memberi wawasan
pengetahuan bagi penulis, dan untuk kesempurnaanTugas akhir ini.
Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dan
bimbingan baik materi maupun moril dari berbagai pihak. Oleh karenanya dalam
kesempatan ini izinkan penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga
kepada:
− Bapak Prof Dr. Chairudin P Lubis, selaku Rektor Universitas Sumatera Utara.
− Bapak Prof DR. Ir. Usman Baafai, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro.
− Bapak Ir. Mustafrind Lubis, selaku pembimbing Tugas Akhir Jurusan Teknik
Elektro.
− Ibu, Dek Is, Nana, seluruh keluarga Bunda di lampineung dan Kp. Pineung,
Herita yang memberi motifasi, dan seluruh korban gempa dan tsunami di
Banda Aceh tahun 2004.
− Bapak Penguji Tugas akhir pada Departemen Teknik Elektro
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
5
− Staf Pengajar dan Administrasi jurusan Teknik Elektro yang telah banyak
membantu penulis.
− Seluruh teman teman di Departemen Teknik Elektro dan di PT Group 4
Securicor, koe-jack, ismat, sayed, udin, dan lain-lain. Yang banyak membantu
dalam pengambilan data yang diperlukan penulis.
Demikianlah pembuatan tugas sarjana ini . Kritik dan saran yang bersifat
membangun sangat penulis harapkan. Semoga laporan ini berguna bagi pembaca
dan penulis.
Medan, Januari 2008
Penulis,
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
6
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ii
ABSTRAK iii
KATA PENGANTAR iii
DAFTAR ISI vi
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang ……………………………………………. 1
I.2 Tujuan Penelitian ……………………………………………. 2
I.3 Pembatasan Masalah ……………………………………. 2
I.4 Sumber Data ……………………………………………. 3
I.5 Sistematika Penulisan ……………………………………. 3
BAB II MESIN SINKRON
II.1 Umum ……………………………………………………. 4
II.2 Konstruksi Generator Sinkron ……………………………. 4
II.3 Kecepatan Putar Generator Sinkron ……………………. 7
II.4 Medan Putar ……………………………………………. 8
II.5 Belitan Terbagi pada Generator Sinkron ……………………. 10
II.6 Gaya Gerak pada Belitan Magnet Terbagi ……………. 13
II.7 Tegangan Internal Yang Dibangkitkan Pada Generator
Sinkron ……………………………………………………. 16
II.8 Faktor Kisar ……………………………………………. 19
II.9 Faktor Distribusi ……………………………………………. 20
II.10 Daya Keluaran Generator Sinkron ……………………. 21
BAB III PEMANASAN PADA GENERATOR SINKRON
III.1 Prinsip Kerja Generator Sinkron ……………………………. 23
III.2 Diagram Fasor Generator Sinkron ……………………. 24
III.3 Torsi dan Daya Generator Sinkron ……………………. 35
III.4. Faktor yang Mempengaruhi Pemanasan ……………. 28
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
7
III.5 Batas Rugi – rugi Penyebab Pemanasan ……………………. 29
III.6. Rugi – Rugi Total ……………………………………. 29
III.6.1. Rugi Listrik ……………………………………. 29
III.6.2. Rugi Besi ……………………………………. 30
III.6.3. Rugi Mekanik ……………………………………. 32
III.6.4. Rugi – rugi Beban Tersebar ……………………. 32
III.7. Arus Stator ……………………………………………. 32
III.8. Arus Rotor ……………………………………………. 33
III.9. Efisiensi ……………………………………………………. 33
III.10. Sistim Ventilasi ……………………………………………. 34
BAB IV STUDI ANALISA DAYA KELUARAN GENERATOR SINKRON
TIGA FASA DENGAN ROTOR SILINDER
IV.1 Data Hasil Percobaan …………………………………… 36
IV.1.1 Data Umum …………………………………… 36
IV.1.2 Data Percobaan Beban Nol …………………… 36
IV.1.3. Data Percobaan Hubung Singkat …………… 38
IV.1.4. Data Percobaan Berbeban …………………… 39
IV.1.5. Data Percobaan Resistansi Belitan Jangkar …… 41
IV.1.6. Data Percobaan Resistansi Belitan Medan …… 41
IV.2 Perhitungan Rugi – Rugi Pada Percobaan Beban Nol …… 41
IV.3 Perhitungan Rugi – Rugi Pada Percobaan Hubung Singkat .. 43
IV.4 Perhitungan Rugi – Rugi Pada Percobaan Berbeban …… 44
IV.5 Perhitungan Rugi – Rugi Total …………………………… 46
IV.6 Perhitungan Daya Keluaran Generator Sinkron …………… 46
BAB V PENUTUP
V.1 Kesimpulan …………………………………………… 48
V.2 Saran – saran …………………………………………… 48
DAFTAR PUSTAKA 49
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
8
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Energi listrik merupakan kebutuhan primer pada perkembangan teknologi
sekarang ini. Manusia sangat bergantung pada energi listrik dan supaya energi
listrik dapat digunakan dengan baik, dibutuhkan suatu sistem pembangkit energi
listrik yang handal.
Generator sinkron tiga phasa adalah sumber utama pembangkit daya listrik
yang sudah tidak asing lagi dalam dunia kelistrikan. Hampir seluruh sistem
pembangkit tenaga listrik di dunia ini menggunakan generator sinkron sebagai
sumber daya listrik, kecuali pada pembangkit dengan tujuan dan kondisi tertentu.
Generator sinkron bekerja dengan mengubah energi mekanis yang dihasilkan pada
poros turbin menjadi energi listrik tiga fasa.
Generator sinkron tiga phasa adalah suatu peralatan listrik yang mengubah
energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanik dapat diperoleh dari motor
diesel, air, gas, uap, panas bumi, nuklir dan lain lain.
Sistem pengoperasian generator sinkron tiga phasa ini adalah secara
kontinu dan dengan beban tertentu, yang perlu diperhatikan adalah kemampuan
generator tersebut dalam catu daya. Besar daya yang di catu tentunya harus selalu
berada dibawah kemampuan catu daya generator tersebut, bila pengoperasian
berada diatas kemampuan generator atau kapasitas beban melebihi kemampuan
daya generator maka akan mengakibatkan pemanasan yang berlebihan pada
generator tersebut. Pemanasan yang berlebihan ini dapat mengakibatkan
kerusakan isolasi pada belitan – belitan rotor dan stator generator tersebut. Oleh
karena itu banyak faktor yang menentukan kemampuan mencatu daya suatu
generator sinkron, diantaranya adalah faktor sumber panas, faktor pendingin dan
faktor pemindahan panas. Sedangkan sumber panas adalah berupa rugi – rugi
belitan stator, rugi – rugi belitan rotor dan rugi – rugi gesek atau angin. Untuk
pendingin ditentukan oleh lobang angin, luas permukaan, bentuk permukaan dan
lain – lainnya.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
9
Untuk menentukan daya keluaran generator sinkron tiga phasa terlebih
dulu dilakukan percobaan beban nol, hubung singkat, dan berbeban. Kemudian
dianalisa kerugian Belitan rotor, kerugian beltan stator dan inti besi,kerugian inti
besi terdiri dari rugi histerisis dan arus pusar yang menyebabkan kenaikan suhu
pada inti besi, sedangkan panas adalah secara konveksi paksa.
I.2. Tujuan Penelitian
Pembuatan Tugas Akhir ini mempunyai tujuan sebagai berikut :
Untuk mengetahui kemampuan daya yang keluar dari generator sinkron tiga
phasa, sehingga bila kapasitas beban melebihi kapasitas generator maka
akan merusak isolasi kawat – kawat kumparan generator.
Dengan menganalisa daya keluaran generator sinkron tiga phasa ini
diharapkan dapat mengaplikasi ilmu pengetahuan yang telah didapat
dibangku perkuliahan dengan kenyataan di industri.
Untuk dapat memperluas ilmu pengetahuan dan wawasan penulis khususnya
dalam bidang mesin-mesin listrik.
I.3. Pembatasan Masalah
Untuk menghindari meluasnya pembahasan, penulis membatasi penulisan
sebagai berikut :
Pembahasan ini dikhususkan pada generator sinkron tiga phasa dengan rotor
silinder yang dioperasikan secara kontinu.
Menentukan daya keluaran generator dengan menganalisa kerugian belitan
rotor atau kehilangan energi dalam kumparan medan.
Menganalisa belitan dalam stator dan inti besi, kerugian inti besi ini terdiri
dari rugi histerisis dan arus pusar yang menyebabkan kenaikan suhu pada
inti besi.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
10
I.4. Sumber Data
Dalam pengumpulan data - data yang diperlukan sebagai masukan untuk
tugas akhir ini, maka penulis telah melaksanakan kegiatan yang menunjang antara
lain :
1. Studi pendahuluan, yaitu mengadakan bimbingan dengan dosen pembimbing
mengenai judul dan topik pembahasan yang diarahkan untuk dapat
menganalisa daya keluaran generator sinkron tiga phasa dengan rotor selinder.
2. Data kepustakaan, yaitu mengumpulkan data melalui buku – buku, katalog
dan brosur - brosur serta literatur – literatur lainnya yang berhubungan dengan
Tugas Akhir ini.
3. Data percobaan dilaboratorium, yaitu mengambil data perhitungan di–
laboratorium dengan cara melakukan percobaan pada generator sinkron tiga
phasa rotor silinder.
I.5. Sistematika Penulisan
Susunan penulisan Tugas Akhir ini dengan judul Studi Analisa Daya
Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa dengan Rotor Silinder adalah sebagai
berikut :
BAB I : Pendahuluan, latar belakang masalah, tujuan penulisan, pembatasan
masalah dan sumber data.
BAB II : konstruksi generator sinkron, kecepatan putar generator sinkron,
medan putar, belitan terbagi pada generator sinkron, gaya gerak pada
belitan magnet terbagi, tegangan internal yang dibangkitkan pada
generator sinkron, fator kisar, factor distribusi, daya keluaran pada
generator tersebut.
BAB III : Prinsip kerja generator sinkron, diagram fasor, torsi dan daya, faktor
– faktor yang mempengaruhi dan batasan rugi – rugi penyebab
pemanasanarus staor, arus rotor, efisiensi, system ventilasi.
BAB IV : Menentukan daya keluaran pada generator sinkron tiga phasa dengan
rotor silinder.
BAB V : Penutup, kesimpulan dan saran – saran.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
11
BAB II
GENERATOR SINKRON
II.1. Umum
Generator sinkron adalah suatu peralatan listrik dinamis yang dapat
mengubah energi mekanik menjadi energi listrik arus bolak balik. Energi mekanik
(putaran) dapat diperoleh dari energi listrik potensial air (PLTA), motor diesel
(PLTD), dan lain – lain.
II.2. Konstruksi Generator Sinkron
Pada generator sinkron, arus DC yang dipasang ke belitan rotor akan
menghasilkan medan magnet rotor. Kemudian rotor akan diputar dengan suatu
kecepatan tertentu oleh sebuah pengerak mula, memutarkan medan magnet
didalam mesin dan menginduksikan tegangan pada belitan stator.
Rotor dari generator ini, pada dasarnya merupakan elektro magnet yang
besar, dimana konstruksi kutub-kutubnya dapat berupa kutub menonjol dan kutub
tidak menonjol. Kutub menonjol maksudnya kutub-kutubnya menonjol dari
permukaan rotor, dan bentuknya seperti tapak sepatu sehingga sering juga disebut
dangan rotor bentuk kutub sepatu. Bentuk kutub tidak menonjol adalah kontruksi
kutub-kutubnya sama tinggi dengan permukaan rotor yang berbentuk selinder,
sehingga bentuk ini sering juga disebut dengan rotor silinder. Bentuk kutub
silinder ini di gambarkan pada Gambar 2.1.
Rotor dengan kutub silinder biasanya digunakan untuk rotor dua kutub
atau empat kutub, sedangkan kutub menonjol biasanya digunakan untuk mesin
lebih dari empat kutub. Rotor rotor ini sifatnya untuk menghasilkan medan
magnet, maka laminasinya perlu dibuat sedemikian rupa untuk menghasilkan
rugi-rugi eddy sekecil mungkin.
Dalam hal ini, arus searah harus disuplai ke rangkaian medan dirotor, yang
pada dasarnya dapat dilakukan dengan dua metode yaitu :
1. suplai arus searah berasal dari sumber tegangan external dengan cara
menghubungkannya ke terminal belitan medan melalui slipring dan sikat.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
12
2. suplai arus searah berasal dari sumber daya khusus yang terpasang
langsung pada poros generator tersebut.
Slipring ini terbuat dari metal, yang biasanya telah terpasang pada poros
mesin tapi terisolasi dari poros tersebut dimana kedua ujung belitan medan pada
rotor dihubungkan keslipring tersebut untuk dapat dihubungkan kerangkaian
luar.dengan menghubungkan terminal positif dan negatif dari sumber arus searah
ke slipring melalui sikat, maka belitan medan akan mendapatkan suplai energi
listrik arus searah dari sumber luar.
Pengunaan slipring adan sikat biasanya menimbulkan beberapa masalah,
ketika digunakan untuk mensuplai arus searah ke belitan medan. Ini disebabkan
karena slipring dan sikat membutuhkan perawatan berkala dan menimbulkan rugi
rugi daya serta drop tegangan pada terminal sikat, terutama pada mesin yang arus
medan nya cukup besar.
Untuk generator sinkron yang kapasitas besar, penguat tanpa sikat
digunakan untuk mensuplai arus searah ke belitan medan yang ada pada rotor
mesin. Penguat tanpa sikat ini merupakan sebuah generator kecil dimana
rangkaian medannya berada di stator, sedangkan jangkarnya berada di rotor.
Output tiga fasa dari generator peguat ini disearahkan oleh penyearah untuk
mendapatkan sumber arus searah untuk mensuplai arus medan ke generator
sinkron. Dengan mengatur besar arus penguat ini, memungkinkan untuk menyetel
arus medan pada generator sinkron tanpa slip dan sikat, seperti pada Gambar 2.2,
dan rotor mesin sinkron dengan penguatan tanpa sikat yang terpasang pada poros
yang sama. Karena tak adanya kontak mekanis langsung maka penguatan tanpa
sikat ini membutuhkan perawatan yang lebih kecil dibandingkan dengan yang
mengunakan slipring dan sikat.
Dalam mendapatkan penguatan generator secara komplit dan tidak
tergantung dari sumber daya external, maka pada sistim biasanya dilengkapi
dengan pengendali penguat yang kecil. Pengendali penguat yang kecil ini
merupakan sebuah generator arus bolak balik yang kecil dengan magnet
permanent pada rotornya dan belitan tiga pasa pada statornya. Alat ini
menghasilkan daya untuk rangkaian medan sebagai penguat yang akan
mengontrol arus medan pada generator sinkron. Dan bila polit exiter ini
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
13
dilengkapi pada poros generator sinkron, maka tidak diperlukan lagi sumber daya
external pada saat generator beroperasi seperti pada Gambar 2.3
Beberapa generator sinkron yang dilengkapi dengan penguat tanpa sikat
ini, juga dilengkapi dengan slipring dan sikat. Ini dimaksudkan bahwa slipring
dan sikat tersebut sebagai cadangan ketika penguatannya mengalami gangguan,
sehingga generator membutuhkan arus penguat dari sumber daya external. Atau
dengan kata lain bahwa sikat dan slipring berfungsi sebagai cadangan pada
kondisi darurat.
II.3. Kecepatan Putar Generator Sinkron
Generator sinkron dibangkitkan oleh frekuensi listrik yang disinkronkan
dengan pengerak mula generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri
elektromagnetik dengan suplai sumber DC, akan menghasilkan medan magnet
yang berputar denganarah putar rotor. Persamaan yang menyatakan hubungan
antara medan magnet pada mesin dengan frewnsi listrik pada stator dinyatakan
oleh persamaan :
120
P.ne m=f (2.1)
Dimana :
fe = frekwensi jala jala (Hz)
nm = kecepatan putar (rpm)
P = jumlah kutub
Saat rotor berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan magnet
persamaan diatas menyatakan hubungan antara kecepatan putaran rotor dengan
frewensi yang dibangkitkan pada stator. Frekwensi yang dibangkitkan ini 50 Hz
atau 60 Hz, sehingga putaran generator disesuaikan bila jumlah kutubnya tetap.
II.4. Medan Putar
Seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.(a). dibawah ini adalah sebuah
generator sinkron tiga phasa, dimana belitan Y dari masing – masing phasa
terpisah dengan jarak 1200 listrik atau 2π/3 derajad listrik dalam ruang sekeliling
celah udara sebagai mana terlihat pada Gambar dibawah ini:
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
14
Pada Gambar diatas terlihat bahwa:
Belitan (UX) pada phasa u
Belitan (VY) pada phasa v
Belitan (WZ) pada phasa w
Dengan arus membentuk sistim simetris pada kumparan – kumparan
phasanya, dengan adanya arus tersebut, maka masing – masing kumparan akan
menimbulkan fluks yang berturut – turut yaitu (φu, φv, φw), menurut sumbu
kumparan masing – masing. Karena arus phasa itu bolak – balik maka fluks
magnetnyapun bolak – balik, dan karena arus – arus phasa membentuk sistem
simetris, maka harga maksimum ketiga fluks itupun sama, hanya antara satu
dengan yang lainnya terdapat perbedaan phasa 2π/3.
Keadaan medan yang dihasilkan oleh ketiga buah komponen dapat dikuti
perubahan setiap komponen. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.(b) yang
memberikan nilai- nilai φu, φv, dan φw, sebagai fungsi waktu.
Misalnya diambil saat ωt = π/6 sesuai pada Gambar 2.4.(b), maka pada
saat tersebut:
φu = φm/2
φv = -φm
φw = φm/2
Dimana φm adalah harga maksimum masing – masing fluksi.
Dengan demikian diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
a. Diruang mesin akan terbentuk medan magnet yang berputar dengan
kecepatan tetap, dengan harga maksimum yang tetap pula.
b. Bagi mesin berkutub dua satu periode medam putar satu kali, jadi dalam
satu menit berputar 60 f kali (frekwensi arus). Kalau mesin – mesin
mempunyai P buah kutub, maka kecepatan medan menjadi:
rpmP
f.120n = (2.2)
Dimana :
n = Kecepatan medan magnet
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
15
f = Frekwensi (Hz)
P = Jumlah kutub
Jadi inilah asal sebutan mesin serempak atau sinkron, karena kecepatannya
medan adalah sama dengan kecepatan rotor mesin.
II.5. Belitan Terbagi pada Generator Sinkron
Belitan pada generator sinkron yang perlu diperhatikan adalah:
a. Tingkat kelas isolasi.
b. Isolasi kawat.
c. Besar tegangan kerja pada belitan tersebut.
d. Bentuk belitan.
Dalam hal ini hanya dibicarakan belitan stator bagi generator sinkron
berkapasitas besar. Belitan stator menurut bentuk dan jenisnya pada dasarnya ada
dua macam yaitu antara lain:
1. Belitan yang dipusatkan
2. Belitan yang terbagi
Belitan yang dipusatkan dipakai pada stator untuk kelompok generator
sinkron yang berkapasitas kecil dan berkutub banyak, sedangkan belitan
terbagiuntuk mesin yang berkapasitas besar dan berkutub relatif sedikit,
Pada contoh ini, belitan terbagi pada generator sinkron, yang
membutuhkan banyak alur pada besi stator, tetapi yang lebih penting ialah
bagaimana membagi alur – alur sedemikian rupa sehingga dapat merupakan
satuan mesin pembangkit listrik yang sesuai seperti yang direncanakan. Untuk
mendapatkan tegangan yang maksimum maka terlebih dahulu diketahui langkah
sebagai berikut:
Jumlah alur (S)
Jumlah kutub (P)
Jumlah phasa (F)
Jumlah alur tiap kutub (m)
Kisar kutub/ jarak kutub utara selatan yang terdekat (Kk)
Maka untuk generator yang mempunyai:
S = 36
P = 4
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
16
F = 3φ
Jadi pertama – tama yang harus dihitung adalah:
1. Jumlah alur/kutub/phasa yaitu:
S = F.P.m
/phasaalur/kutub34.3
36m
P.FSm
==
=
2. Langkah dengan alur jarak kutub (Q) diperhitungkan sebagai berikut:
a. Jarak kutub utara selatan yang terdekat
Kk = 1800 listrik
Oleh karena generator mempunyai P = 4 maka jarak kutub utara selatan
yang terdekat dalam derajad biasa (K’k) yaitu :
000
k 904
360P
360K' ===
b. Jarak alur yang terdekat diperhitungkan dalam derajat biasa :
biasa1036
360S
360B 000
===
Maka langkah alur dengan jarak kutub yaitu:
91090
B'Q 0
0
=== kK
Jadi jarak alur yang terdekat adalah:
Kutub utara (U) berada pada alur 1
Kutub utara (S) berada pada alur 10
Jarak phasa satu dengan lainnya 1200 listrik maka jarak alur juga dihitung
dalam derajat listrik yaitu:
listrik202
36360
2S
360Be
00
0
=×=
×=
Maka permulaan phasa kedua (ph2) terletak pada :
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
17
alur620
120BePhPh 0
0
2 ===
Maka pada phasa kedua tujuh alur dari permukaan phasa satu. Dan begitu
juga halnya dengan phasa ketiga, tujuh alur jaraknya dari phasa kedua.
Selanjutnya dapat dilihat pada Gambar 2.6. langkah – langkah belitan yang
terbagi pada generator.
Untuk mendapatkan tegangan maksimum, kumparan harus dibuat
langkah penuh. Hal ini berarti jika tiga sisi dimulai dari alur satu, dua dan tiga
maka tiga sisi yang lainnya berada pada alur sepuluh, sebelas, dan duabelas. Dan
inilah yang disebut langkah kutub yang besarnya adalah sebesar 180 derajat
listrik.
II.6. Gaya Gerak pada Belitan Magnet Terbagi
Gaya gerak magnet adalah perkalian antara jumlah perkalian belitan stator
dengan besar arus yang mengalir padanya. Dengan adanya ampere lilitan inilah
yang menyebabkan timbulnya medan magnet dan garis gaya magnet.
Persamaan tersebut dapat dinyatakan dari persamaan yang lalu sebagai berikut:
F = I . N ampere – turn
Dimana:
GGM = F = gaya gerak magnet (ampere-turn)
I = Besaran arus yang mengalir (ampere)
N = Banyaknya kumparan kawat
Atau menurut hukum ampere :
∫= ld . HF (2.3)
Dimana:
H = Kuat medan magnet
dl = Elemen panjang integral keliling (meter)
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
18
Apa bila didalam suatu rangkaian magnetik terdapat dua macam lintasan
yaitu:
a. Lintasan inti besi
b. Lintasan udara
Maka persamaan dapat ditulis sebagai berikut:
1
11 Ao
LRµ
= (2.4)
0
00 Ao
LRµ
= (2.5)
Maka persamaannya menjadi:
( )01 RRi.N += φ (2.6)
Dimana:
φ = Fluks (webber)
R1 = Reluktansi inti besi
R0 = Reluktansi celah udara
µ1 = Permeabilitas celah udara
µ0 = Permeabilitas inti besi
L1 = Panjang inti besi
L0 = Panjang celah udara
Dari persamaan diatas dapat ditulis kembali seperti berikut oleh karena
pada umumnya µ1 jauh lebih besar dari µ0 atau permeabilitas inti besi lebih besar
dari permeabilitas celah udara maka persamaan dapat dibuat:
( )01 RRF += φ (2.7)
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
19
0
00
000
LA.o.F
A./LoF
RF
µφ
µφ
=
==o
weberL
A.oi.N0
00
µφ = (2.8)
Dimana:
φ0 = Fluks didalam celah udara
Untuk rapat fluks dalam celah udara dapat juga dihitung sebagai berikut :
teslaA
B0
00
φ= (2.9)
Dimana:
B0 = Rapat fluks dalam celah udara (tesla)
Seperti yang terlihat pada Gambar 2.7. menyatakan bahwa bentuk
gelombang gaya gerak magnetnya. Gelombang gaya gerak magnet frekwensi
dasar yang timbul akibat adanya arus stator. Maka harga puncak dari GGM nya
adalah:
lm.kr.P
Nph.4Fa1 π= (2.10)
Dimana:
Fa1 = Harga puncak komponen frekwensi dasar GGM
Nph = Jumlah belitan perphasa
P = Jumlah phasa
Im = Arus puncak
Sama juga halnya belitan terbagi pada rotornya yang jumlah kutub (p)
dapat dinyatakan dalam jumlah keseluruhan:
lr.P
NphKr.4Fa1 π= (2.11)
Dimana:
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
20
Nr = Jumlah belitan rotor
Kr = Faktor belitan
Ir = Arus belitan
P = Jumlah kutub
F = Gelombang frekwensi dasar
II.7. Tegangan Internal Yang Dibangkitkan Pada Generator Sinkron.
Besarnya tegangan induksi yang dibangkitkan pada stator, dinyatakan
pada persamaan :
(volt) f . . Kd . Kp .Nph . . 2 E Φ= π (2.12)
Persamaan tersebut diturunkan dari Hukum Faraday yang menyatakan
bahwa gaya gerak listrik induksi:
dtd N- e φ
= (2.13)
Dimana :
e = Gaya gerak listrik induksi
N = Jumlah kumparan kawat
Ke = Faktor langkah (faktor kisar)
Kd = Faktor distribusi
F = Frekwensi (Hz)
mφ = Fluks (weber)
dtdφ = Laju fluks magnet (weber/detik)
Persamaan (2.8) dapat diturunkan menjadi :
θφφφ cos . mdtd N - e =⇒=
( ) tjikadt
cos . md N -e ωθθφ=⇒=
( )dt
tωcosdmNe φ−=
Derivatif: cos = - sin
sin = cos
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
21
( ) ( )tωsinωmNe −−= φ (2.14)
tωsinmNωe φ=
Bila kumparan berputar 900 maka:
ωt = 900
sin = sin 900 = 1
ω = 2πf
Em = ω . N . φm
Em = 2π . f . N . φm (2.15)
Untuk mendapatkan harga rms maka:
2
EE mrms =
Harga rms adalah diperoleh dengan integrasi kuadrat kemudian diambil
akarnya, maka diperoleh sebagai berikut:
∫=2π
0
22.m dθθsine1E
π
∫=2π
0
2.m dθ
2θ2cos-1
π2eE
( )∫=2π
0
2.m dθθ2cos-1
π1
21
π2eE
∫ ∫=2π
0
2
0
2.m dθθ2cos-dθ
π1
4eE
π
π2
0
m θ2sin21-θ
π1
4eE
=
−
= θsin
21θ4πsin
21-2π
π1
2eE m
( )θ-2ππ1
2eE m=
22
eE m=
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
22
221eE m=
me.2
1E =
me.0.707E =
Maka harga dari Erms:
φNf2π.2E rms =
mrms e.2
1E =
2eE m
rms =
2Nfπ.2E rmsφ
=
φNf4,44E rms =
Besarnya tegangan yang dibangkitkan, tergantung pada besarnya fluksi
pada mesin, kecepatan putaran dan konstruksi mesin. Dalam hal menyelasaikan
masalah pada mesin sinkron, adakalanya persamaan diatas disedaerhanakan
dimana semua konstantanya digabung, menjadi :
EA = K . φ . ω (2.16)
Dimana K menyatakan konstruksi mesin, sedangkan ω menyatakan dalam
satuan elektrikal radian perdetik. Yang dinyatakan dalam :
K 2
k.k.N PPP= (2.17)
Dan bila ω dinyatakan dalam satuan mekanikal radian per detik, maka
persamaannya akan menjadi :
K 2
k.k.P.N PPP= (2.18)
Tegangan internal yang dibangkitkan Ea sebanding dengan fluksi dan
putaran. Sedangkan fluksi itu sendiri sebanding dengan arus medan pada
rangkaian rotor. Hubungan antara arus medan If dengan fluksi ditunjukkan seperti
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
23
Gambar 2.8.a, dan hubungan antara tegangan induksi Ea dengan arus medan If
seperti Gambar 2.8.b plot dari karakteristik ini disebut juga dengan kurva
magnetisasi atau karakteristik beban nol.
ϕ EA ω = ω sync (konstan)
IF IF
(a) (b)
Gambar 2.8 a. karakteristik fluksi dengan arus medan b. kurva magnetisasi.
II.8. Faktor Kisar
Faktor kisar atau langkah kumparan dalam keadaan langkah penuh maka
besar langkah tersebut sama dengan langkah kutub atau sama dengan 1800 listrik,
dapat dilihat pada Gambar 2.9. dibawah ini :
α α
(c)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 Ea
0 Ea Ea’
(a)
(b)
a a'
Langkah penuh
Langkah diperpendek
0
Ec
Ea’
Ea
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
24
Gambar 2.9. (a). Penampang Kumparan langkah Penuh dan Diperpendek,
(b).Vector Tegangan dalam Kumparan Langkah Penuh,
(c). Vector Kumparan yang Diperpendek
Jika kumparan ditempatkan pada alur 1 dan alur 9 kumparan tersebut
disebut langkah penuh, tetapi jika diempatkan pada alur 1 dan 9 maka langkah
kumparannya sudah diperpendek atau sama dengan 8/9 langkah penuh seperti
terlihat pada Gambar 2.9.
Jika kumparan diperpendek sebesar α0 Listrik seperti yang terlihat pada
Gambar maka:
Ec = Ea + Ea’ = 2Ea
Ec = 2 Ea cos α/2
penuhlangkahkumparanpendeklangkahkumparanK c =
Maka:
a
ac E2
2αcosE2
K =
2αcosK c =
Dimana :
α = Sudut perpendekan
II.9. Faktor Distribusi
Setiap belitan phasa, sisi kumparan tidak ditempatkan dalam satu alur
tetapi didistribusikan dalam sejumlah alur dibawah kutub membentuk grup kutub
seperti yang terlihat pada Gambar 2.10 dibawah ini:
Oleh karena kumparan didistribusikan masing kumparan berbeda phasa
sebesar γ. Dari Gambar diatas, OAa dan Oab, berturut-turut adalah:
=
=
=
=
2γmsin2
AD
2γmsin
ADOA
2γsin
AB
2γsin
AaOA
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
25
Dengan menyamakan kedua harga OA tersebut didapat:
=
2γsin
2γmsin
ABAD
Jika (m) adalah jumlah alur /kutub/phasa maka:
( )
==
2γsinm
2γmsin
ABmADKd
Dimana :
M = Jumlah alur /kutub/phasa
γ = Perbedaan sudut antara alur
Sehingga didapat persamaan yaitu tegangan induksi yang dihasilkan oleh
generator:
E = 4,44 . Kc . Kd . Nph . f . φm (volt) (2.19)
II.10. Daya Keluaran Generator Sinkron
Bila ketiga kumparan armatur tidak dihubungkan atau saling terpisah
maka tiap phasa atau rangkaian membutuhkan dua konduktor sehingga jumlah
konduktor enam, artinya setiap kabel transmisi enam konduktor. Sistem ini
menjadi rumit dan mahal tidak sesuai dengan keadaan untuk penghematan
konduktor. Metode hubungan kumparan ini meliputi antara lain:
a. Hubungan Bintang (Y)
Pada hubungan ini ujung coil dihubungkan bersama ke titik netral.
Tegangan yang diinduksikan tiap belitan disebut tegangan phasa dan arusnya arus
phasa. Sedangkan antara dua terminal disebut tegangan line (VL) dan arus
mengalir adalah arus line (IL), maka daya keluar generator adalah:
Daya total (Pt) = 3 x daya phasa
P phasa = V ph x IL cos φ
Pt = 3 x V ph x IL cos φ
Dimana:
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
26
3VV L
ph =
Maka daya total menjadi:
φcosI3
V3.P LL
t ××=
φcosIV3P LLt ××=
b. Hubungan Delta (∆)
Daya Total (Pt) = 3 x VL x Iph cos φ
Daya perphasa (Pph) = VL x Iph cos φ
Dimana :
3II L
ph =
φcosV3
I3.P LL
t ××=
φcosVI3P LLt ××=
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
27
BAB III
PEMANASAN PADA GENERATOR SINKRON
III.1. Prinsip Kerja Generator Sinkron
Generator sinkron mempunyai kumparan jangkar pada stator dan
kumparan medan pada rotor, kumparan jangkarnya berbentuk sama dengan mesin
induksi, sedangkan kumparan medan mesin sinkron dapat berbentuk sepatu
(saliet) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder).
Arus searah untuk menghasilkan fluks pada kumparan medan dialirkan ke
rotor melalui cincin.
Bila kumparan medan diberi arus penguat DC dan diputar dengan
kecepatan n maka akan timbul emf induksi pada stator sebesar:
Eo = C n ∅ (3.1)
Dimana :
Eo = Tegangan induksi (volt)
C = konstanta mesin
n = putaran mesin
∅ = fluks yang dihasilkan oleh If
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar, fluks hanya dihasilkan arus
medan (If). Apabila arus medan diubah – ubah harganya, maka akan diperoleh
harga Eo seperti yang terlihat pada Gambar 3.1. Pada celah udara kurva
pemagnetan merupakan garis lurus.
Eo
R X
V
a b
Eo (V)
If (amp)
I
(b) Rangkaian Ekivalen Generator
(a) Kurva Pemagnetan Gambar 3.1. Karakteristik Rangkaian dan Rangkaian Ekivalen Generator
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
28
Dimana :
a-b = tegangan arus medan yang diperlukan untuk daerah jenuh
Ra = tahanan stator
Xs = fluks bocor
Eo = tegangan (tanpa beban)
III.2. Diagram Fasor Generator Sinkron
Tegangan yang dibangkitkan pada generator sinkron adalah tegangan arus
bolak balik, maka dinyatakan dalam bentuk fasor yang digambarkan pada gambar
3.2. Menunjukkan bahwa generator melayani beban dengan faktor daya satu,
semua tegangan dan arus direferensikan terhadap Vφ ( Vφ = Vφ ∠ 0 ).
Diagram fasor ini dapat diperbandingkan dengan diagram fasor untuk
generator yang melayani beban Induktif atau Kapasitif (Lagging PF atau Leading
PF). Dimana diagram fasor untuk kedua beban yang terakhir ini masing-masing
diperlihatkan pada gambar 3.3 a dan b. untuk arus jangkar dan tegangan fasa yang
diberikan, EA yang dibutuhkan untuk beban lagging lebih besar dibandingkan
dengan EA yang dibutuhkan beban Kapasitif. Oleh karena itu arus medan yang
besar dibutuhkan untuk beban lagging untuk mendapatkan tegangan terminal yang
sama.
Pada kenyataannya dalam kondisi normal, pada generator sinkron yang
sebenarnya reaktansi sinkron jauh lebih besar bila dibandingkan dengan resistan
jangkar RA, sehingga harga resistan ini seringkali diabaikan.
III.3. Torsi dan Daya Generator Sinkron
Generator sinkron adalah mesin sinkron yang bekerja dengan
mengkonversikan daya mekanis ke daya listrik tiga fasa. Sumber daya mekanis ini
disebut dengan pengerak mula yang mempunyai putaran konstan. Bila hal ini
tidak dipenuhi dapat menyababkan frekwensi yang dihasilkan generator tidak
sesuai dengan yang diinginkan.
Secara teori, bahwa semua daya mekanis yang dihasilkan oleh pengerak
mula oleh generator sinkron diubah menjadi daya elektrik. Perbedaan antara daya
output dengan daya input mesin sinkron dinyatakan sebagai rugi-rugi mesin.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
29
Rugi-rugi ini di perlihatkan pada gambar 3.4. daya input melkanis pada poros
generator (Pin) :
Pin = τ app . ωm (3.2)
Dan daya yang dikonversikan dari mekanikal menjadi elektrikal yang
prosesnya terjadi dalam mesin:
Pconv = τ ind . ωm (3.3)
Pconv = 3. EA IA Cos ϕ (3.4)
Dimana γ adalah sudut antara EA dengan IA. Perbedaan antara daya input
ke generator dan daya yang dikonversikan dalam generator dinyatakan sebagai
rugi-rugi mekanis dan rugi-rugi inti dan rugi sasar (stray) pada generator.
Daya mekanik (Pin)
Pin mekanis pada poros generator Pout
Rugi Tembaga
Rugi Inti
Rugi gesekdan AnginRugi sasar
(Stray)
Pconv
Gambar. 3.4. Diagram Aliran Daya Generator Sinkron
Dan besar daya output yang sebenarnya dapat ditulis dalam bentuk
persamaan :
Untuk tegangan jala-jala Pout = √3 . VT. IL. Cos ϕ (3.5)
Untuk tegangan pasa Pout = 3 . Vφ . IA. Cos ϕ (3.6)
Output daya reaktif Qout = √3 . VT. IL. Sin ϕ (3.7)
Atau Qout = 3 . Vφ . IA. Sin ϕ (3.8)
Bila tahanan jangkar RA diabaikan (RA << XS), maka diagram fasornya
diperlihatkan pada gambar 3.5. dalam gambar garis vertical bc diekspersikan
sebagai EA Sin δ, atau XS . IA Cos δ dengan demikian :
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
30
AXSinδEI
S
AA =
dan bila disubtitusikan kepersamaan 3.6. akan diperoleh :
S
Aφ
XsinEV.3
Pδ
= (3.9)
Dalam hal tahanan jangkar dianggap nol pada persamaan 3.9, maka tak
ada rugi-rugi elektrikal pada generator.
Persamaan 3.9 menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan oleh generator
sinkron tergantung pada ∠δ. Dan δ dikenal sebagai sudut beban pada mesin. Jadi
daya maksimum yang dapat disuplai generator terjadi pada saat δ = 90, atau saat
sin δ = 1 dan pada saat ini :
S
Aφmax X
EV.3P = (3.10)
Daya maksimum yang diindikasikan oleh persamaan diatas disebut juga
sebagai batas stabilitas statis pada generator. Dalam kondisi normal, generator
tidak akan pernah mencapai harga batas tersebut., biasanya sudut torsi ini antara
15 sampai 20 derajat.
Bila Vφ dianggap konstan, maka output daya nyata berbanding langsung
dengan IA Cos ϕ, dan EA Sin δ, dan daya reaktif output berbanding langsung
dengan besaran IA Sin φ. Kondisi ini perlu saat memplot diagram fasor generator
untuk beban yang berubah.
Besarnya torsi induksi pada generator ini dinyatakan oleh persamaan :
τind = k . BR × BS (3.11)
atau sebagai:
τind = k . BR × Bnet (3.12)
sedangkan besarannya:
τind = k . BR Bnet . Sin δ (3.13)
Dimana δ sudut magnetik antara rotor dengan medan magnet net (sudut
torsi). Bila BR menghasilkan tegangan EA, dan Bnet menghasilkan Vφ, maka ∠δ
antara EA dengan Vφ sama dengan yang diapit oleh BR dan Bnet.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
31
Cara lain untuk torsi induktif pada generator sinkron dapat dikembangkan
dari persamaan 3.9 karena Pconv = τind . ωm, maka torsi induksi ini dapat juga
dinyatakan dalam bentuk:
Sm
Aφind X
sinEV.3ω
δτ = (3.14)
Peryataan persamaan ini menyatakan torsi induksi dalam bentuk besaran
listrik, sedangkan persamaan τind = k . BR × Bnet. dinyatakan dalam bentuk
besaran mekanik
III.4. Faktor yang Mempengaruhi Pemanasan
Suhu kerja dari suatu generator sangat erat hubungannya dengan usia,
karena keausan dari isolasinya merupakan fungsi waktu dan suhu. Keausan
merupakan gejala kimiawi yang melibatkan adanya oksidasi lambat dan
pengerapuhan yang menyebabkan terjadinya penyusutan mekanis dan kekuatan
listrik. Kenaikan suhu juga disebabkan oleh rugi – rugi yang merupakan faktor
utama dalam menentukan usia pada generator. Oleh sebab itu pemanasan pada
generator harus dibatasi, dan tidak boleh melampaui batas – batas yang telah
ditentukan agar usia generator menjadi panjang.
Secara garis besar faktor yang mempengaruhi pemanasan atau kenaikan
temperatur pada generator sinkron yang sedang beroperasi dapat dipisahkan
menjadi tiga bagian adalah:
a. Faktor yang menimbulkan panas, diantaranya rugi – rugi tembaga, rugi –
rugi besi dan rugi – rugi gesek (angin)
b. Faktor pendingin antara lain, volume udara dari lubang pendingin dan
ruang atau celah melalui pada belitan.
c. Faktor perpindahan panas antara lain ketebalan isolasi belitan terselubung
dan belitan akhir serta konduktifitasnya.
III.5. Batas Rugi – rugi Penyebab Pemanasan
Pertimbangan terhadap rugi – rugi mesin merupakan hal yang sangat
penting, karena rugi – rugi dapat menentukan :
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
32
a. Rugi – rugi dapat menentukan efisiensi mesin dan cukup berpengaruh
terhadap biaya pemakaiannya.
b. Rugi – rugi menentukan pemanasan mesin sehingga menentukan keluaran
daya atau ukuran yang dapat diperoleh tanpa mempercepat keausan isolasi.
c. Jatuhnya tegangan atau komponen arus yang bersangkutan dengan rugi-
rugi yang dihasilkan harus diperhitungkan dengan semetinya dalam
penampilan mesin.
Dengan mengetahui batas temperatur maksimum suatu isolasi yang
digunakan dalam sebuah generator sinkron akhirnya dapat diketahui daya
keluaran yang dapat dicatu oleh generator sinkron secara kontinu.
III.6. Rugi – Rugi Total
Rugi – rugi total yang terjadi pada generator sinkron terdiri dari rugi – rugi
tembaga, rugi besi dan rugi mekanik.
Rugi total = rugi variabel + rugi konstan
Pt = rugi tembaga armatur + Pc (3.15)
III.6.1. Rugi Listrik
Rugi listrik dikenal juga dengan rugi tembaga yang terdiri dari kumparan
armatur, kumparan medan.
Rugi – rugi tembaga ditemukan pada semua belitan pada mesin, dihitung
berdasarkan pada tahanan dc dari lilitan pada suhu 750 C dan tergantung pada
tahanan efektif dari lilitan pada fluks dan frekuensi kerjanya.
Rugi kumparan armatur ( Par = Ia2 . Ra ) sebesar sekitar 30 sampai 40%
dari rugi total pada beban penuh. Sedangkan rugi kumparan medan shunt ( Psh =
Ish2 . Rsh ) bersama – sama dengan kumparan medan seri ( Psr = Isr ) sebesar sekitar
20 sampai 30% dari rugi beban penuh.
Sangat berkaitan dengan rugi I2 R adalah rugi – rugi kontak sikat pada
cincin slip dan komutator, rugi ini biasanya diabaikan pada mesin induksi dan
mesin serempak, dan pada mesin dc jenis industri tegangan jatuh pada sikat
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
33
dianggap tetap sebesar 2V keseluruhannya jika dipergunakan sikat arang dan
grafit dengan shunt.
III.6.2. Rugi Besi
Rugi besi disebut juga rugi magnetik yang terdiri dari histerisis dan rugi
arus pusar atau arus eddy yang timbul dari perubahan kerapatan fluks pada besi
mesin dengan hanya lilitan peneral utama yang diberi tenaga pada generator
sinkron rugi ini dialami oleh besi armatur, meskipun pembentukan pulsa fluks
yang berasal dari mulut celah akan menyebabkan rugi pada besi medan juga,
terutama pada sepatu kutub atau permukaan besi medan. Rugi ini biasanya data
diambil untuk suatu kurva rugi – rugi besi sebagai fungsi dari tegangan armatur
disekitar tegangan ukuran. Maka rugi besi dalam keadaan terbebani ditentukan
sebagai harga pada suatu tegangan yang besarnya sama dengan tegangan ukuran
yang merupakan perbedaan dari jatuhnya tahanan ohm armatur pada saat
terbebani.
Rugi histerisis (Ph) dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan empiris
yang besarnya adalah :
Ph = ηh. Bmax1.6 . f . v (watt) (3.16)
Dimana :
ηh = koefisien steinmetz histerisis. Perhatikan tabel 3.1 tentang nilai ηh
dari bermacam – macam bahan baja .
B = kerapatan flux (Wb/m2),
v = volume inti (m3)
f = frekuensi
Tabel 3.1 Nilai Koefisien Steinmentz Histerisis
Bahan ηh (joule / m3)
Sheet steel 502
Silicon steel 191
Hard Cast steel 7040
Cast steel 750 – 3000
Cast iron 2700 – 4000
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
34
Dari persamaan 3.1, besar koefisien steinmentz histerisis, kerapatan flux
dan volume inti adalah konstan sehingga nilai rugi histerisis adalah merupakan
fungsi dari frekuensi atau ditulis ;
Ph = F (f) (3.17)
Jadi makin besar frekuensi sinyal tegangan output makin besar rugi
histerisis yang diperoleh.
Adapun rugi arus pusar atau rugi arus eddy tergantung kuadrat dari
kerapatan fluks, frekuensi dan ketebalan dari lapisan pada kedaan mesin normal
besarnya adalah:
Pe = k . Bmax2 . f2 . t2 . V (3.18)
Dimana : k = konstanta arus pusar yang tergantung pada ketebalan
laminasi masing-masing lempengan dan volume inti armatur. Oleh karena nilai k
dan b adalah konstan, maka besar kecilnya rugi arus pusar adalah tergantung pada
nilai frekuensi kuadrat atau ditulis :
Pe = F (f)2 (3.19)
Besar rugi besi adalah sekitar 20 sampai 30% dari rugi total pada beban
penuh.
III.6.3. Rugi Mekanik
Rugi mekanik terdiri dari :
a. Rugi gesek yang terjadi pada pergesekan sikat dan sumbu. Rugi ini dapat
diukur dengan menentukan masukan pada mesin yang bekerja pada
kecepatan yang semestinya tetapi tidak diberi beban dan tidak diteral.
b. Rugi angin (windageloss) atau disebut juga rugi buta (stray loss) akibat
adanya celah udara antara bagian rotor dan bagian stator.
Besar rugi mekanik sekitar 10 sampai 20% dari rugi total pada beban
penuh.
III.6.4. Rugi – rugi Beban Tersebar
Rugi – rugi ini terdiri atas rugi – rugi yang timbul karena pembagian arus
tak seragam pada tembaga dan rugi – rugi inti besi tambahan yang dihasilkan pada
besi karena gangguan pada fluks magnet oleh arus beban. Rugi – rugi ini sulit
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
35
ditentukan secara tepat. Untuk mesin dc rugi – rugi ini dapat diambil 1% dari
keluarannya, sedangkan untuk mesin sinkron dan induksi rugi – rugi ini dapat
dicari dengan percobaan. Meskipun rugi – rugi beban tersebar hanya mempunyai
persentase kurang dari satu dari keluarannya tetapi sangat penting dalam
perencanaan mesin.
III.7. Arus Stator
Rugi – rugi belitan akhir dan belitan terselubung maksimum per satuan
volume didapatkan besaran rugi – rugi maksimum tembaga :
ss2
SCU, RI3P ×= (3.20)
s
SCU,s
2
R.3P
I = (3.21)
s
SCU,s R.3
PI = (3.22)
Dimana :
PCU,S = Rugi – rugi tembaga stator (watt)
Is = Arus stator maksimum (ampere)
RS = Resistansi belitan stator (ohm)
III.8. Arus Rotor
Oleh karena pemanasan rotor sama dengan pemanasan stator maka
persamaan pembatasnya pun mempunyai bentuk yang sama dimana:
r2
rCU, RIP ×= r (3.23)
r
rCU,r
2
RP
I = (3.24)
r
rCU,r R
PI = (3.25)
Dimana :
PCU,r = Rugi – rugi belitan maksimum belitan rotor (watt)
Ir = Arus rotor maksimum (ampere)
Rr = Resistansi belitan rotor (ohm)
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
36
III.9. Efisiensi
Pada umumnya yang disebut efisiensi adalah perbandingan antara daya
output dengan daya input.
Dalam hal ini ada tiga macam efisiensi yaitu :
%100×=in
o
PPη (3.26)
Dimana:
Pin = Po + Σ Ploss
Σ Ploss = untuk generator adalah :
(If2 . Rf + Ia
2 . Ra + IL2 . Rsr + rugi gesek + rugi inti)
If2 . Rf = rugi kumparan medan
Ia2 . Ra = rugi kumparan jangkar
IL2 . Rsr = rugi kumparan medan
Rugi gesek = rugi sikat + rugi angin + rugi sumbu
Rugi sikat = Ia . Vsi
Rugi angin yaitu rugi – rugi karena adanya celah antara bagian rotor dan stator ( ± 1% ) Rugi sumbu = rugi rugi yang timbul pada benda berputar
Rugi inti = rugi histerisis + rugi arus pusar
Maka :
Pin = Ts x ϖm
%100)sikatRugiCRugi(P
Plistrikuo
o ×+Σ+
=η (3.27)
Dimana:
Po = Vt . IL (watt) = daya output generator
Pin = Ts x ϖm (watt) = daya total yang diterima mesin
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
37
III.10. Sistim Ventilasi
Banyak masalah dalam teknologi tenaga listrik, yang dihubungkan dengan
alat dan mesin pendingin. Ini membutuhkan pengetahuan mekanik dengan cara
panas dialirkan dari satu benda ke benda yang lain. Disini dapat dijelaskan cara
perpindahan panas pada generator sinkron.
Sistem pendingin pada generator sinkron tergantung dari ukuran
mesin sebab semakin besar mesin semakin sulit masalah penginginannya. Luas
permukaan dari panas yang dibuang bertambah besar menurut kuadrat dari
dimensinya, sedangkan panas yang dihasilkan oleh rugi – rugi berbanding lurus
dengan volumenya. Karenanya kira – kira bertambah besar menurut pangkat tiga
dari dimensinya.
Pendingin dilakukan dalam dua cara yaitu :
a. Pendingin secara Radial
Pendingin secara radial yaitu dilakukan dengan memasukkan udara atau
gas melalui saluran celah udara yang ada didalam inti stator dan keluar
melalui celah udara yang ada disekitar poros.
b. Pendingin secara Aksial
Pendingin secara aksial yaitu udara mengalir dari satu ujung mesin
keujung lainnya melalui celah udara yang ada didalam inti stator. Seperti
yang terlihat pada Gambar 3.6. dibawah ini.
Udara keluar Udara masuk
Gambar 3.5. Sistem Pendingin
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
38
III. 11. Percobaan Beban Nol
Percobaan beban nol dilakukan untuk menentukan dan mengambarkan
hubungan tegangan induksi sebagai fungsi arus penguat (If) dari generator sinkron
yang berputar pada putaran nominal dalam keadaan tidak berbeban, dan
mengambarkan karakteristik V = f (If), n = konstan If = 0.
Pada percobaan ini mesin sinkron akan bekerja sebagai generator dan
sebagai pengerak mulanya digunakan motor DC. Dengan memberikan putaran
pada rotor generator sinkron serta diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi
arus If, maka tegangan akan terinduksi dengan kumparan jangkar yang terdapat di
stator. Bila generator dalam keadaan tanpa beban maka arus tidak akan mengalir
pada Belitan jangkarnya. Oleh karena itu pada beban nol pengaruh reaksi jangkar
tidak ada.
Dalam teori seharusnya kurva dimulai dari titik nol, namun dalam
kenyataan kurva bukan dimulai dari titik nol hal ini akibat pengaruh remanensi,
sebelum generator diberikan tegangan, telah ada tegangan pada generator itu.
Tegangan ini harganya kecil seperti yang terdapat pada gambar 3.7 dibawah ini.
praktek
teori
If
V
Gambar 3.6 kurva perbandingan karakteristik beban nol antara teori dan praktik
Daya masukan generator sinkron terdiri dari daya masukan elektrik dan
daya masukan mekanis. Daya masuk elektrik adalah daya untuk menghasilkan
fluks. Sedangkan daya masuk mekanik adalah daya yang diberikan oleh pengerak
mula sehingga terjadi kopel pengerak pada poros mesin
III.12. Percobaan Hubung Singkat
Percobaan hubung singkat bertujuan untuk menentukan dan
menggambarkan arus hubung singkat sebagai fungsi arus medan dari generator
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
39
sinkron yang berputar pada putaran nominal dalam keadaan terminal generator
dihubung singkat.
Grafik dari percobaan hubung singkat merupakan fungsi linier, dan
seharusnya dimulai dari titik nol, namun dalam kenyataannya kurva karakteristik
ini dimulai dari suatu harga tertentu, bukan dari nol, hal ini diakibatkan karena
adanya tegangan remanensi pada generator sinkron sebelum arus medan diberikan
dari tegangan ini mengalirlah arus yang kecil yang disebut arus remanensi,
sehingga kurva karakteristik tidak dimulai dari nol, sehingga harga yang didapat
diteori dengan praktek berbeda karena adanya pengaruh remanensi.
III.13. Percobaan Berbeban
Percobaan berbeban dilakukan untuk mempelajari karakteristik
perbebanan dari generator sinkron antar tegangan terminal sebagai fungsi arus
medan If dimana Ia, n, dan cos θ konstan. Karakteistik V = f (If) adalah linear
tetapi pada prakteknya tidak, karena pengaruh kejenuhan inti, pada saat ini grafik
akan melengkung. Untuk cos θ lagging, leading dan unity dapat digambarkan
pada gambar 3.9 dibawah ini.
If
V leading
unity
lagging
Gambar 3.7. kurva karakteristik berbeban untuk cos θ lagging, leading dan unity.
Pada gambar 3.9 digambarkan pembebanan generator sinkron dapat
dibandingkan bahwa tegangan terminal untuk jenis beban induktif (cos θ lagging)
lebih kecil dari pada tegangan terminal untuk beban resistif (cos θ leading) pada
arus medan yang sama.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
40
BAB IV STUDI ANALISA DAYA KELUARAN GENERATOR SINKRON TIGA
FASA DENGAN ROTOR SILINDER
IV.1. Data Hasil Percobaan
Didalam bab ini akan menguraikan tentang perhitungan daya generator
sinkron 3 phasa dengan rotor silinder, dengan data – data yang didapat dari
percobaan pada laboratorium mesin – mesin listrik. Datanya adalah sebagai
berikut :
IV.1.1. Data Umum
Tegangan jepit : 220 V
Kapasitas daya : 5 kW
Arus jangkar (Ia) : 9 A
Arus medan (If) : 5.7 A
Factor daya : 0.8
Frekwensi : 50 Hz
Kecepatan putar (n) : 1500 rpm
Phasa : 3
IV.1.2. Data Percobaan Beban Nol ( E = f(If), n konstan, Ia = 0 )
Dengan melakukan percobaan sesuai dengan prosedur yang digambarkan
pada Gambar 4.1 dibawah ini. Sehingga didapat data hasil percobaan dan
karakteristik percobaan beban nol didapat seperti pada Tabel 4.1 dan Gambar 4.2.
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol.
Tabel 4.1. Data Percobaan Beban Nol
PTDC1
V1
A1
M G
V
A
B
C
A2 If
PTDC 2 PTDC 3
If
n
T
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
41
Dik : n = 1500 rpm
Ia = 0
f = 50 Hz
Cos φ = 0.8
No. If (A) V T (N.m) Pin (W) 1 0.2 38 0.12 184.91 2 0.3 58 0.13 200.32 3 0.5 102 0.15 231.14 4 1 194 0.21 323.59 5 1.5 284 0.26 400.64 6 2 350 0.31 477.69 7 2.5 397 0.36 554.74 8 3 437 0.41 631.78 9 3.5 465 0.46 708.83 10 4 487 0.51 785.88
Maka didapat karakteristik beban nol yang ditampilkan pada Gambar 4.2 dibawah
ini.
karakteristik Beban Nol
0
100
200
300
400
500
600
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
If (amp)
volt
Gambar 4.2. Grafik Karakteristik Beban Nol
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
42
IV.1.3. Data Percobaan Hubung Singkat ( Ia hs = f(If), n konstan, V = 0 )
Dengan melakukan percobaan sesuai dengan prosedur yang digambarkan
pada Gambar 4.3 dibawah ini. Sehingga didapat data hasil percobaan dan
karakteristik percobaan hubung singkat didapat seperti pada Tabel 4.2 dan
Gambar 4.4.
PTDC1
V1
A1
M G
A2 If
PTDC 2 PTDC 3
If
IaV
Ian
T
Gambar 4.3. Rangkaian Percobaan Hubung Singkat.
Tabel 4.2. Data Percobaan Hubung Singkat Dik : n = 1500 rpm
f = 50 Hz
Cos φ = 0.8
No. Ia (A) If (A) T (N.m) Pin (W) 1 0,0 0,20 0.12 184.91 2 0,2 0,78 0.14 215.733 3 0,4 1,33 0.16 246.55 4 0,6 1,90 0.18 277.37 5 0,8 2,51 0.2 308.19 6 1,0 3,02 0.23 354.41 7 1,2 3,58 0.3 462.28 8 1,4 4,20 0.31 477.69 9 1,6 4,80 0.38 585.56 10 1,8 5,36 0.45 693.42 11 2,0 5,85 0.53 816.70
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
43
Maka didapat karakteristik hubung singkat yang ditampilkan pada Gambar 4.4
dibawah ini.
Karakteristik Hubung Singkat
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
If (Amp)
Ia (A
mp)
Gambar 4.4. Grafik Karakteristik Hubung Singkat
IV.1.4. Data Percobaan Berbeban ( V = f(If), n konstan, Ia = konstan )
Dengan melakukan percobaan sesuai dengan prosedur yang digambarkan
pada Gambar 4.5 dibawah ini. Sehingga di dapat data hasil percobaan dan
karakteristik percobaan berbeban didapat seperti pada Tabel 4.3 dan Gambar 4.6.
PTDC1
V1
A1
M G
V
A2 If
PTDC 2 PTDC 3
A
B
C
If
n
T
Gambar 4.5. Rangkaian Percobaan Berbeban.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
44
Tabel 4.3. Data Percobaan Berbeban
Dik : n = 1500 rpm
Ia = 9 Amp
f = 50 Hz
Cos φ = 0.8
No. If (A) V (V) T (N.m) Pin (W) 1 0,30 105 0.16 246.55 2 0,53 199 0.22 339.01 3 0,80 277 0.3 462.28 4 1,00 339 0.45 693.42 5 1,15 391 0.61 939.97 6 1,25 422 0.82 1263.57 7 1,34 452 0.89 1371.44 8 1,40 475 0.94 1448.49
Maka didapat karakteristik berbeban yang ditampilkan pada Gambar 4.6 dibawah
ini.
Karakteristik Berbeban
050
100150200250300350400450500
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
If (Amp)
V (V
olt)
Gambar 4.6. Grafik Karakteristik Berbeban
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
45
IV.1.5. Data Percobaan Resistansi Belitan Jangkar (Ra)
Begitu pula pada percobaan resistansi belitan jangkar dengan melakukan
percobaan sesuai dengan prosedur. Maka data hasil percobaan resistansi belitan
jangkar didapat seperti pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4. Data Percobaan Resistansi Belitan Jangkar No. Idc (A) Vdc (V) Rdc (ohm) 1 8.0 16.0 1.0 2 8.5 17.2 1.01 3 9.0 18.0 1.0 4 9.5 19.2 1.01 5 10.0 20.0 1.0
Rata-rata 9.0 18.08 1.004
IV.1.6. Data Percobaan Resistansi Belitan Medan (Rf)
Begitu pula pada percobaan resistansi belitan medan dengan melakukan
percobaan sesuai dengan prosedur. Maka data hasil percobaan resistansi belitan
medan didapat seperti pada Tabel 4.5.
Tabel 4.5. Data Percobaan Resistansi Belitan Medan
No. Idc (A) Vdc (V) Rdc (ohm) 1 5.0 29.90 2.99 2 5.5 32.87 2.98 3 5.7 34.10 2.99 4 6.0 35.89 2.98 5 6.5 38.90 2.99
Rata-rata 5.74 34.33 2.98
IV.4. Perhitungan Rugi –Rugi Pada Percobaan Beban Nol
Dari data yang ada maka dapat dihitung daya keluaran generator sinkron 3
phasa dengan rotor silinder, dengan mengetahui rugi – rugi yang dihasilkan dari
generator tersebut. Rugi – rugi pada generator tersebut dapat dihitung dengan cara
sebagai berikut.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
46
Pada percobaan beban nol. Rotor dari generator diputar dengan kecepatan
tetap oleh mesin pengerak. Kumparan medan diberi penguatan arus searah,
sedangkan terminal generator tidak dihubungkan sehingga Ia = 0 dan N = konstan.
Dengan tidak adanya arus jangkar maka rugi – rugi tembaga pada stator tidak
dapat dihitung karena slip nya kecil.
Pcu stator = If2 Rf
= 5,72 A . 2,99 ohm
= 97,145 watt
Rugi inti besi dapat diperoleh pada percobaan ini pada tegangan terminal
(terbuka) sama dengan tegangan nominal. Daya mekanis yang disalurkan melalui
poros untuk menjalankan generator sinkron pada putaran nominal adalah untuk
menutupi rugi beban nol. Rugi ini terdiri dari rugi gesekan bantalan dan rugi
gesekan angin dan rugi besi yang terkait pada fluks beban nol. Rugi gesekan dan
angin adalah konstan sedangkan rugi besi merupakan fungsi dari fluks yang
berbanding lurus dengan tegangan rangkaian terbuka.
Tanpa penguatan fluks daya poros hanya diperlukan untuk menutupi rugi
besi, gesekan dan angin. Dengan mengurangkan rugi – rugi ini dari rugi beban nol
maka diperoleh rugi besi pada rangkaian terbuka. Lengkungan rugi besi rangkaian
terbuka sebagai fungsi dari tegangan rangkaian terbuka diperlihatkan pada
Gambar 4.7. dibawah ini.
Jadi dari grafik perbandingan tegangan terbuka 220 V dengan rugi rugi
pada percobaan beban nol didapat ; rugi rugi 1,2 kW atau 1200 watt.
Rugi gesek dan angin (Pfw) didapat dari rumus:
Pin = Pinti + Pfw + If2Rf (4.1)
IV.5. Perhitungan Rugi – Rugi Pada Percobaan Hubung Singkat
Percobaan hubung singkat generator sinkron dilakukan pada putaran
nominal dengan terminal dihubung pendek dengan arus hubung pendek sebesar
arus nominal. Daya yang dimasukkan melalui poros adalah jumlah rugi gesekan
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
47
bantaran, rugi gesekan angin, rugi tembaga karena adanya arus hubung singkat
dan rugi besi yang kecil jumlah rugi – rugi ini disebut rugi beban hubung singkat
rugi tembaga dapat diperoleh dengan mengurangi rugi hubung singkat dengan
rugi gesek bantalan dan angin.
Dengan mengurangkan rugi tahanan arus searah dari rugi tahanan arus
tukar diperoleh selisihnya yaitu rugi karena gejala kulit (skin effect) rugi arus
putar dalam penghantar jangkar dan rugi besi karena medan fluks bocor. Selisih
antara rugi beban hubung pendek dan rugi tahanan tembaga as adalah rugi beban
tambahan (stay load loss ).
Besarnya rugi percobaan berbeban ini diperhitungkan sama besar pada
setiap keadaan beban seperti pada hubung singkat. Jalannya rugi hubung singkat
dan rugi beban tambahan sebagai fungsi dari arus armatur diperlihatkan pada
gambar 4.3 pada umummya tahanan jangkar dapat dihitung dari
2a pendek)hubungjangkar(aruspendekhubungbebanrugir = (4.2)
Dalam persamaan tersebut diatas telah dimisalkan bahwa rugi beban
tambahan hanya tergantung pada arus jangkar saja. Dengan diketahuinya rugi
beban hubung singkat dalam watt perphasa dan arus dalam ampere perphasa
diperoleh tahanan efektif dalam ohm per phasa.
Rugi – rugi tembaga pada medan atau rugi tembaga pada rotor:
Pcu = 3 If2 . Rf
= 3. 5,72 A . 2,98 ohm
= 290,46 watt
Rugi – rugi hubung singkat adalah:
Ia = Phs/Ia2
Ia2 = Ra. (Phs)
Phs = Ia2/Ra = 92 A / 1,004 ohm = 80,677 watt
Pbesi pada percobaan hubung singkat dengan Ia = 9 A didapat angka yang
sangat kecil atau mendekati nol dari grafik perbandingan arus jangkar dengan rugi
rugi inti.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
48
Rugi gesek dan angin didapat dengan pengurangan rugi hubung singkat
dengan rugi tembaga jangkar
Pcu = Phs – Pfw
Pfw = Phs – Pcu
Pfw = 80,67 watt – 290,46 watt = 209,78 watt
IV.6. Perhitungan Rugi-rugi pada Percobaan Berbeban
Pada saat generator diberi beban pembagian ruang dari kerapatan fluks
sangat berubah oleh agm dari arus beban. Rugi – rugi inti yang sebenarnya dapat
bertambah besar. Misalnya harmonisa agm akan menyebabkan rugi – rugi yang
cukup besar pada besi didekat permukaan celah udara. Perbedaan rugi –rugi inti
keseluruhan dimasukkan sebagai bagian dari rugi – rugi beban tersebar.
Dari data percobaan berbeban maka didapat perhitungan rugi tahanan
medan pada tembaga rotor yaitu:
Pcu rotor = If2 . Rf
= 5,72 x 2,98
= 96,82 watt
Rugi tahanan jangkar pada stator yaitu:
Pcu stator = 3 Ia2 . Ra
= 3 . (9)2 x 1,004
= 243,97 watt
Arus nominalnya dapat dihitung dengan:
AI
I
I
5.684,304
19808,0.)220(.3
1980
=
=
=
Maka:
Vt – IaRa = 3
220 - 6.5 (0,8 + j 0,6) (1,0)
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
49
= 127,61 – (6.5 ∠ 36,87)
= 70,51V
= 70,51 V/phasa = 122,12 V
Dari grafik pada Gambar 4.2 perbandingan percobaan berbeban dengan
rugi – rugi inti didapat Pinti = 0,34 kW = 340 watt
IV.7. Perhitungan Rugi – Rugi Total
Pada percobaan beban nol daya keluaran dari generator tidak ada atau nol,
semua daya masukan ke generator menjadi rugi – rugi. Sehingga data dari
percobaan beban nol yang diperlukan untuk perhitungan daya keluaran generator
adalah rugi – rugi angin dan gesek (Pfw) karena ditimbulkan dari daya mekanis
yang disalurkan melalui poros untuk menjalankan generator sinkron pada putaran
nominal. Rugi – rugi gesek dan angin juga disebut rugi – rugi mekanis.
Untuk perhitungan rugi – rugi total dipakai rugi – rugi pada percobaan
berbeban karena pada percobaan hubung singkat generator berjalan pada putaran
nominal dengan terminal dihubung pendek dengan arus hubung pendek sebesar
arus nominal, arus hubung pendek dan rugi besi relatif kecil. Percobaan berbeban
mempunyai nilai yang besar sehingga dapat dihitung rugi total dan akhirnya dapat
dicari keluaran daya dari generator tersebut. Data yang diperlukan untuk
perhitungan rugi – rugi total adalah :
Pcu stator = 243,97 watt
Pcu rotor = 96,82 watt
Pinti = 340 watt
Dari data di atas maka didapat rugi total dengan menjumlahkan semua rugi
– rugi tersebut :
Ptotal = Pcu stator + Pcu rotor + Pinti
Ptotal = 243,97 watt + 96,82 watt + 340 watt = 680,79 watt
IV.8. Perhitungan Daya Keluaran Generator Sinkron
Daya masuk merupakan jumlah dari masukan ac pada jangkar dan
masukan dc pada medan sehingga didapat daya masukan total :
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
50
Pin total = 4583.62 watt
Daya keluaran merupakan daya masukan total dikurangi jumlah rugi – rugi
total :
Pout = Pin – (Pcu stator + Pcu rotor + Pinti)
Pout = 4583.62 watt – (680.79 watt)
= 3902.83 watt
Maka dari perbandingan daya keluaran dan daya masukan didapat efisiensi
dari generator sinkron tiga phasa rotor silinder sebesar :
%100PPEfisiensi
in
out ×=
%10062,458383,3902
×=Efisiensi
%14.85=Efisiensi
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
51
BAB V
PENUTUP
V.1. Kesimpulan
1. Setelah dilakukan perhitungan dengan memasukan data yang diambil dari
percobaan mesin sinkron ini didapat output nya adalah 3902.83 watt dan
efisiensi mesin sinkron tiga fasa ini adalah 85,14 %
2. Dari perbandingan antara data umum (name plate) dengan hasil percobaan
didapat perbedaan daya keluaran yang sangat jauh ini disebabkan karena
factor usia dari generator tersebut sehingga dengan usia tersebut membuat
kemampuan komponen dari generator seperti isolasi dari belitan kumparan
itu tidak mampu lagi menghasilkan daya maksimal
3. Pada daya keluaran dibawah atau maksimal 3,9 kW, mesin sinkron rotor
silinder ini berjalan dengan normal dengan panas yang di hasilkan mesin
masih dengan batas wajar dan perpindahan panas dialirkan keluar mesin
melalui celah udara pada mesin tersebut.
4. jika generator dipaksa mengeluarkan daya melebihi 3,9 kW maka mesin
menjadi panas dan tegangan menjadi turun secara tiba-tiba (drop
tegangan).
5. Rugi – rugi total yang terjadi pada generator sinkron ini adalah 680.79
watt yang terdiri dari rugi – rugi tembaga, rugi besi dan rugi mekanik.
V.2. Saran – saran
Diusahakan beban harus dibawah kemampuan daya keluaran generator
atau rata rata 3,9 kW, karena factor usia generator ini yang sudah tua tidak mampu
lagi menghasilkan daya maksimal 5 kW. jika beban melebihi kapasitas keluaran
daya generator, akan terjadi kenaikan suhu yang disebabkan oleh rugi – rugi yang
semakin besar sehingga generator menjadi drop.
Eduward Aliansyah : Studi Analisa Daya Keluaran Generator Sinkron Tiga Phasa Dengan Rotor Silinder, 2008. USU Repository © 2009
52
DAFTAR PUSTAKA
1. Chapman, Stephen J, Electric Machinery Fundamentals, McGraw-Hill Book
Company, New York, 1985.
2. D. William, Stevenson, Ir., Analisa Sistim Tenaga Listrik, Edisi IV, Erlangga,
Jakarta, 1984.
3. Fitzgerald,A.E., Charles Kingsley,Jr. and Alexander Kusko, Electric
Machinery, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd. Tokyo, 1971.
4. Hayt jr, Wiliam H., Liong, The Houw., Elektromagnetik Teknologi, Edisi VI,
Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1982.
5. Kadir, Abdul, Mesin Serempak, Djembatan, Jakarta, 1983.
6. Lister, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi VI, Erlangga, 1988.
7. Marappung, Muslimin, Teori Soal Penyelesaian Teknik Tenaga listrik,
Armico, Bandung 1979.
8. Rijono, Yon, Dasar Teknik Tenaga Listrik, Edisi Revisi, Penerbit Andi,
Yogyakarta, 2004.
9. Theraja, B.L., A Text Book of Electrical Technology, S. Chandand Company
Ltd, New Delhi, 1977.
10. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektonika Daya, Gramedia, Jakarta,
1990.