MESIN SINKRON

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

1.1 Konstruksi Generator Sinkron

Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan non salient (rotor silinder

Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor.

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. Gambaran bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini. 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.

1.2 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°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan tegangan yang dibangkitkan.

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.

1.3 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:

fe	=	nr .p	(1.1)
	120

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.

1.4 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.φ

(1.2)

yang mana:

c = konstanta mesinn = putaran sinkron

φ = 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). Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya.

1.5 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

1.6 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.

1.7 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.

Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol. Impedansi internal mesin adalah:

Zs = Ra 2 + Xs 2  =	Ea	(1.5)
	Ia

Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:

Xs =	Ea	=	VOC	(1.6)
	Ia		Iahs

Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.

Ra =	VDC	(1.7)
	2.I DC

Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol pada saat pengukuran.

1.8 Diagram Fasor

Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada saat tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya arus jangkar (Ia ) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk faktor keja yang berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar Ia.

1.9 Pengaturan Tegangan (Regulasi Tegangan)

Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator, yang dinyatakan sebagai berikut.

VR =	VNL −VFL	x100%	(1.8)
	VFL

1.10 Kerja Paralel Alternator

Untuk melayani beban yang berkembang, maka diperlukan tambahan sumber daya listrik. Agar sumber daya listrik 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. Benar tidaknya hubungan pararel tadi, dapat dilihat dari lampu tersebut.

Jika rangakaian untuk pararel itu benar (urutan fasa sama) maka lampu L1, L2 dan L3 akan hidup-mati dengan frekuensi fL - fG cycle. Sehingga apabila ke tiga lampu sedang tidak bekedip berarti fL = fG atau frekuensi tegangan generator dan jala-jala sudah sama. Untuk mengetahui bahwa fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) sama dapat dilihat dari lampu L1, L2, dan L3. Frekuensi tegangan generator diatur oleh penggerak mula, sedang besar tegangan diatur oleh penguatan medan. Jika rangkaian untuk mempararelkan itu salah (urutan fasa tidak sama) maka lampu L1, L2 dan L3 akan hidup-mati bergantian dengan frekuensi (fL + fG ) cycle. Dalam hal ini dua buah fasa (sebarang) pada terminal generator harus kita pertukarkan.

Jika urutan fasa kedua sistem tegangan sama, maka lampu L1, L2, dan L3 akan hidup-mati bergantian dengan frekuensi fL - fG cycle. Saat mempararelkan adalah pada keadaan L1 mati sedangkan L2 dan L3 menyala sama terang, dan keadaan ini berlangsung agak lama (yang berarti fL dan fG sudah sangat dekat atau benar-benar sama). Dalam keadaan ini, posisi semua fasa sistem tegangan jala-jala berimpit dengan semua fasa sistem tegangan generator.