Materi Kuliah Teknik Tenaga Listrik

1. SISTEM TENAGA LISTRIK1.1. Elemen Sistem Tenaga

Salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untuk mengirimkan energi adalahmelalui bentuk energi listrik. Pada pusat pembangkit, sumberdaya energi primer sepertibahan baker fosil (minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubahmenjadi energi listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanis yang dihasilkan padaporos turbin menjadi energi listrik. Melalui transformator penaik tegangan (step-up transformer), energi listrik ini kemudiandikirimkan melalui saluran transmisi bertegangan tinggi menuju pusat-pusat beban.Peningkatan tegangan dimaksudkan untuk mengurangi jumlah arus yang mengalir padasaluran transmisi yang dengan demikian berarti rugi-rugi panas (heat-loss) I2R dapatdikurangi. Ketika saluran transmisi mencapai pusat beban, tegangan tersebut kembaliditurunkan menjadi tegangan menengah, melalui transformator penurun tegangan(step-down transformer). Di pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran distribusi, energi listrik ini diubahmenjadi bentuk-bentuk energi terpakai lainnya seperti energi mekanis (motor), penerangan,pemanas, pendingin, dan sebagainya. Satuan listrik :Arus listrik (I) => ampereTegangan listrik (V) = beda potensial => voltTahanan (R) = resistansi => ohmReaktansi (X)=> ohmImpedansi (Z)= R ± jX => ohmDaya (S) = P ± jQ => volt ampereDaya aktif (P) => wattDaya reaktif (Q) => volt ampere reaktifEnergi (E) => watt-hour (watt-jam)Faktor daya (cos j) => tidak ada satuan

1.2. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU)Pembangkit listrik jenis ini memanfaatkan bahan bakar minyak, gas alam, atau batubarauntuk membangkitkan panas dan uap pada BOILER. Uap ini kemudian dipergunakan untukmemutar turbin yang dikopelkan langsung dengan sebuah generator sinkron. Uap yang telahmelalui turbin kemudian menjadi uap bertekanan dan bersuhu rendah. Uap ini kemudiandilewatkan melalui kondenser yang menyerap panas uap tersebut sehingga uap tersebutberubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler.

1.3. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)Sebagaimana halnya Pusat Listrik Tenaga Diesel, PLTG merupakan mesin dengan prosespembakaran dalam (internal combustion). Bahan baker berupa minyak atau gas alam dibakardi dalam ruang pembakar (combustor). Udara yang memasuki kompresor setelah mengalamitekanan bersama-sama dengan bahan baker disemprotkan ke ruang pembakar untuk

Materi Kuliah Teknik Tenaga Listrik http://unilanet.unila.ac.id/~plgsekip/tle/

1 of 19 3/5/2014 8:08 PM

melakukan proses pembakaran. Gas panas sebagai hasil pembakaran ini kemudian bekerjasebagai fluida yang memutar roda turbin yang terkopel dengan generator sinkron.

1.4. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)Pada reactor air tekan (pressurized water reactor) terdapat dua rangkaian yang seolah-olahterpisah. Pada rangkaian pertama bahan baker uranium-235 yang diperkaya dan tersusundalam pipa-pipa berkelompok, disundut untuk menghasilkan panas dalam reactor. Karena airdalam bejana penuh, maka tidak terjadi pembentukan uap, melainkan air menjadi panas danbertekanan. Air panas yang bertekanan tersebut kemudian mengalir ke rangkaian keduamelalui suatu generator uap yang terbuat dari baja. Generator uap ini kemudianmenghasilkan uap yang memutar turbin dan proses selanjutnya mengikuti siklus tertutupsebagaimana berlangsung pada turbin uap PLTU.

1.5. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA)Penggunaan tenaga air mungkin merupakan bentuk konversi energi tertua yang pernahdikenal manusia. Perbedaan vertical antara batas atas dengan batas bawah bendungan dimana terletak turbin air, dikenal sebagai tinggi terjun. Tinggi terjun ini mengakibatkan airyang mengalir akan memperoleh energi kinetic yang kemudian mendesak sudu-sudu turbin.Bergantung kepada tinggi terjun dan debit air, dikenal tiga macam turbin yaitu: Pelton,Francis dan Kaplan.

2. DASAR ELEKTROMEKANIK2.1. Konversi Energi Elektromekanik

Konversi energi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknyadari energi mekanik menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui medium medanmagnet. Energi yang akan diubah dari satu system ke system lainnya, sementara akantersimpan pada medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi systemlainnya. Dengan demikian, medan magnet di sini selain berfungsi sebagai tempatpenyimpanan energi juga sekaligus sebagai medium untuk mengkopel perubahan energi. Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi elektromekanik dapatdinyatakan sebagai berikut (untuk motor): (Energi Listrik sebagai input) = (Energi Mekanik sebagai output + Energi panas) + (Energipada medan magnet dan rugi-rugi magnetic) atau dalam persamaan differensial, konversi energi dari elektris ke mekanis adalah sebagaiberikut:dWE = dWM + dWF

Ini hanya berlaku ketika proses konversi energi sedang berlangsung pada keadaan dinamisyang transient. Untuk keadaan tunak, dimana fluks merupakan harga yang konstan, makadWF = 0dWE = dWM

2.2. Gaya Gerak ListrikApabila sebuah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh ds memotong suatu medan magnetdengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor dengan panjang efektif l


2 of 19 3/5/2014 8:08 PM

adalah:df = B l ds Dari Hukum Faraday diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl)E = df/dtMaka e = B l ds/dt; dimana ds/dt = v = kecepatan Jadi, e = B l v

2.3. KopelArus listrik I yang dihasilkan di dalam suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B akanmenghasilkan suatu gaya F sebesar:F = B I l Jika jari-jari rotor adalah r, maka kopel yang dibangkitkan adalahT = F r Perlu diingat bahwa saat gaya F dibangkitkan, konduktor bergerak di dalam medan magnetda seperti diketahui akan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakan reaksi (lawan)terhadap tegangan penyebabnya. Agar proses konversi energi listrik menjadi energi mekanik(motor) dapat berlangsung, tegangan sumber harus lebih besar daripada gaya gerak listriklawan. Begitu pula, suatu gerak konduktor di dalam medan magnet akan membangkitkan tegangane = B l V dan bila dihubungkan dengan beban, akan mengalir arus listrik I atau energimekanik berubah menjadi energi listrik (generator). Arus listrik yang mengalir padakonduktor tadi merupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnetyang telah ada (B). Interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerakmekanik yang diberikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung,energi mekanik yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi.

2.4. Mesin Dinamik ElementerPada umumnya mesin dinamik terdiri atas bagian yang berputar disebut rotor dan bagianyang diam disebut stator. Di antara rotor dan stator terdapat celah udara. Stator merupakankumparan medan yang berbentuk kutub sepatu dan rotor merupakan kumparan jangkardengan belitan konduktor yang saling dihubungkan ujungnya (lihat gambar) untukmendapatkan tegangan induksi (ggl).

Jika kumparan rotor diputar dengan arah berlawanan dari arah jarum jam, tegangan akandibangkitkan dengan arah yang berlawanan pada kedua ujung rotor yang tidak dihubungkan. Simulasi mesin dinamis (generator) dapat dilihat pada situs ini.


3 of 19 3/5/2014 8:08 PM

http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/lesson/otherpub/wfendt/generatorengl.htm

2.5. Interaksi Medan MagnetKerja suatu mesin dinamis dapat juga dilihat dari segi adanya interaksi antar medan magnetstator dan rotor, yaitu:F = B I lSeperti diketahui, arus listrik (I) pada persamaan di atas akan menimbulkan fluks juga disekitar konduktor yang dilalui. Bila kerapatan fluks akibat arus listrik dinyatakan dengan Bs

(pada stator), sedang kerapatan fluks akibat kumparan medan adalah Br (pada rotor), makadapat dituliskan: T = K Br Bs sin d Dimanad adalah sudut antara kedua sumbu medan magnet Br dan Bs

K adalah konstanta l x r Sudut d dikenal sebagai sudut kopel atau sudut daya dengan harga maksimum d = 90o.Dengan menganggap Br dan Bs sebagai fungsi arus rotor dan arus stator, persamaan kopelmenjadi: T = K Ir Is sin d Dengan demikian, kopel terjadi sebagai interaksi antara dua medan magnet atau dua arus.

2.6. Derajat ListrikPada setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang ditimbulkan sudahmenyelesaikan p/2 kali putaran. Maka untuk mesin 4 kutub, satu kali putaran mekanikmesin (360o) berarti sama dengan dua kali putaran listrik (720o). Persamaan umumnyaadalah sebagai berikut: qe = (p/2) qm

p = jumlah kutub mesinqe = sudut listrikqm = sudut mekanik

2.7. FrekuensiDari persamaan di atas, diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan listrik yangdihasilkan, mesin telah menyelesaikan p/2 kali putaran. Karena itu frekuensi gelombangtegangan adalah: f = (p/2) (n/60) n = rotasi per menitn/60 = rotasi perdetik Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan


4 of 19 3/5/2014 8:08 PM

ns = 120 (f/p) Jadi misalnya untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50 putaran per detikdan mempunyai jumlah kutub p=2, maka kecepatan berputar mesin tersebut adalah:ns = (120 x 50)/2 = 3000 rpm. Sumber lainnya tentang elektromagnetik:http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/induction.htm

3. MOTOR INDUKSI

Motor induksi merupakan motor arus bolak balik (ac) yang paling luas penggunaannya.Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumbertertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relative antaraputaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkanmedan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns = 120f/2p). Medan putar pada statortersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuaidengan Hukum Lentz, rotor pun akan ikut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relative antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban, akanmemperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor,sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi , bilabeban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun. Dikenal dua tipe motor induksi yaitumotor induksi dengan rotor belitan dan rotor sangkar.


5 of 19 3/5/2014 8:08 PM

Gambar motor induksi.Sumber : http://www.automatedbuildings.com/news/jul01/art/abbd/abbd.htm 3.1. Medan Putar

Sumber : http://www.tpub.com/doeelecscience/electricalscience2144.htmSebelum kita membahas bagaimana rotating magnetic field (medan putar) menyebabkansebuah motor berputar, marilah kita tinjau bagaimana medan putar ini dihasilkan. Gambarberikut menunjukkan sebuah stator tiga fasa dengan suplai arus bolak balik tiga fasa pula. Belitan stator terhubung wye (Y). Dua belitan pada masing-masing fasa dililitkan dalam arahyang sama. Sepanjang waktu, medan magnet yang dihasilkan oleh setiap fasa akan


6 of 19 3/5/2014 8:08 PM

tergantung kepada arus yang mengalir melalui fasa tersebut. Jika arus listrik yang melaluifasa tersebut adalah nol (zero), maka medan magnet yang dihasilkan akan nol pula. Jikaarus mengalir dengan harga maksimum, maka medan magnet berada pada harga maksimumpula. Karena arus yang mengalir pada system tiga fasa mempunyai perbedaan 120o, makamedan magnet yang dihasilkan juga akan mempunyai perbedaan sudut sebesar 120o pula.Ketiga medan magnet yang dihasilkan akan membentuk satu medan, yang akan beraksiterhadap rotor. Untuk motor induksi, sebuah medan magnet diinduksikan kepada rotorsesuai dengan polaritas medan magnet pada stator. Karenanya, begitu medan magnet statorberputar, maka rotor juga berputar agar bersesuaian dengan medan magnet stator.

Gambar belitan stator tiga fasa. Pada sepanjang waktu, medan magnet dari masing-masing fasa bergabung untukmenghasilkan medan magnet yang posisinya bergeser hingga beberapa derajat. Pada akhirsatu siklus arus bolak balik, medan magnet tersebut telah bergeser hingga 360o, atau satuputaran. Dan karena rotor juga mempunyai medan magnet berlawanan arah yangdiinduksikan kepadanya, rotor juga akan berputar hingga satu putaran. Penjelasan mengenaiini dapat dilihat pada gambar selanjutnya. Putaran medan magnet dijelaskan pada gambar di bawah dengan “menghentikan” medantersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandai dengan interval 60o pada gelombang sinusyang mewakili arus yang mengalir pada tiga fasa A,B, dan C. Jika arus mengalir dalam suatufasa adalah positif, medan magnet akan menimbulkan kutub utara pada kutub stator yangditandai dengan A’, B’, dan C’.


7 of 19 3/5/2014 8:08 PM

Gambar putaran motor induksi dan medan putar. Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positif maksimumnya. Pada saat yangsama, arus pada fasa A dan B berada pada separuh harga negative maksimumnya. Medanmagnet yang dihasilkan terbentuk secara vertical dengan arah ke bawah, dengan kekuatanmedan maksimum terjadi sepanjang fasa C, antara kutub C (utara) dengan C’ (selatan).Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang dihasilkan sepanjangfasa A dan B, dengan kutub-kutub A’ dan B’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub Adan B menjadi kutub-kutub selatan. Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 60 derajat listrik. Pada posisiini, arus dalam fasa A telah naik hingga harga negative maksimumnya. Arus pada fasa Bmempunya arah yang berlawanan dan berada pada separuh harga maksimum positifnya.Begitu pula arus pada fasa C telah turun hingga separuh dari harga maksimum positifnya.Medan magnet yang dihasilkan terbentuk ke kiri arah bawah, dengan kekuatan medanmaksimum sepanjang fasa A, antara kutub-kutub A’ (utara) dan A (selatan). Medan magnetini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang timbul sepanjang fasa B dan C,dengan kutub-kutub B dan C menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub B’ dan C’ menjadi


8 of 19 3/5/2014 8:08 PM

kutub-kutub selatan. Di sini terlihat bahwa medan magnet pada stator motor secara fisiktelah berputar sebanyak 60o. Pada posisi T3, gelombang sinus arus berputar lagi 60 derajat listrik dari posisi sebelumnyahingga total rotasi pada posisi ini sebesar 120 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasaB telah naik hingga mencapai harga positif maksimumnya. Arus pada fasa A telah turunhingga separuh dari harga negative maksimumnya, sementara arus pada fasa C telahberbalik arah dan berada pada separuh harga negative maksimumnya pula. Medan magnetyang dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasaB, antara kutub B (utara) dan B’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medanyang lebih lemah sepanjang fasa A dan C, dengan kutub-kutub A’ dan C’ menjadikutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan C menjadi kutub-kutub selatan. Sehingga terlihatdi sini bahwa medan magnet pada stator telah berputar 60o lagi dengan total putaransebesar 120o. Pada posisi T4, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 180 derajat listrik dari titik T1sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalah indentik dengan posisi T1 kecuali bahwapolaritasnya telah berbalik. Karena fasa C kembali pada harga maksimum, medan magnetyang dihasilkan sepanjang fasa C kembali berada pada harga maksimum, medan magnetyang dihasilkan sepanjang fasa C akan memiliki kekuatan medan maksimum. Meskipundemikian, dengan arus yang mengalir dalam arah yang berlawanan pada fasa C, medanmagnet yang timbul mempunyai arah ke atas antara kutub C’ (utara) dan C (selatan).Terlihat bahwa medan magnet sekarang telah berotasi secara fisik sebanyak 180o dari posisiawalnya. Pada posisi T5, fasa A berada pada harga positif maksimumnya, yang menghasilkan medanmagnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali, medan magnet secara fisik telah berputar 60o

dari titik sebelumnya sehingga total rotasi sebanyak 240o. Pada titik T6, fasa B berada padaharga maksimum negative yang menghasilkan medan magnet ke arah bawah sebelah kanan.Medan magnet pun telah berotasi sebesar 60o dari titik T5 sehingga total rotas adalah 300o. Akhirnya, pada titik T7, arus kembali ke polaritas dan nilai yang sama seperti pada Posisi T1.Karenanya, medan magnet yang dihasilkan pada posisi ini akan identik dengan pada posisiT1. Dari pembahasan ini, terlihat bahwa untuk satu putaran penuh gelombang sinus listrik(360o), medan magnet yang timbul pada stator sebuah motor juga berotasi satu putaranpenuh (360o). Sehingga, dengan menerapkan tiga-fasa AC kepada tigfa belitan yang terpisahsecara simetris sekitar stator, medan putar (rotating magnetic field) juga timbul.

3.2. SLIPJika arus bolak balik dikenakan pada belitan stator dari sebuah motor induksi, sebuah medanputar timbul. Medan putar ini memotong batang rotor dan menginduksikan arus kepadarotor. Arah aliran arus ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri untukgenerator. Arus yang diinduksikan ini akan menghasilkan medan magnet di sekitar penghantar rotor,berlawanan polaritas dari medan stator, yang akan mengejar medan magnet pada stator.Karena medan pada stator terus menerus berputar, rotor tidak pernah dapat menyamakan


9 of 19 3/5/2014 8:08 PM

posisi dengannya alias selalu tertinggal dan karenanya akan terus mengikuti putaran medanpada stator sebagaimana ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar Induction MotorDari penjelasan di atas, terlihat bahwa rotor pada motor induksi tidak pernah dapat berputardengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan putar. Jika kecepatan rotor samadengan keceparan medan putar stator, maka tidak ada gerak relatif antara keduanya, dantidak akan ada induksi EMF kepada rotor. Tanpa induksi EMF ini, tidak akan ada interaksimedan yang diperlukan untuk menimbulkan gerak. Rotor, karenanya ahrus berputar dengankecepatan yang lebih rendah dari kecepatan medan putar stator jika gerak relatif tersebutharus ada antara keduanya.Persentase perbedaan antara kecepatan rotor dan kecepatan medan putar disebut denganslip. Semakin kecil slip, semakin dekat pula kecepatan rotor dengan kecepatan medan putar.Persen slip dapat dicari menggunakan Equation (12-1).

dimana

NS= kecepatan sinkron (rpm) NR= kecepatan rotor (rpm)Kecepatan medan putar atau kecepatan sinkron dari suatu motor dapat dicari dengan menggunakanEquation (12-2).

dimana

Contoh: Sebuah motor induksi dua kutub, 60 Hz, mempunyai kecepatan pada beban penuh sebesar


10 of 19 3/5/2014 8:08 PM

3554 rpm. Berapakah persentase slip pada beban penuh?Solusi:

3.3. TorqueTorque motor induksi AC tergantug kepada kekuatan medan rotor dan stator yang salingberinteraksi dan hubungan fasa antara keduanya. Torque dapat dihitung dengan Equation(12-3).

dimana

Selama operasi normal, K, , dan cos adalah konstan, sehingga torque berbanding lurusdengan arus rotor. Arus rotor meningkat dengan proporsi yang sama dengan slip. Perubahantorque terhadap slip menunjukkan bahwa begitu slip naik dari nol hingga –10%, torque naiksecara linier. Begitu torque dan slip naik melebihi torque beban penuh, maka torque akanmencapai harga maksimum sekitar 25% slip. Torque maksimum disebut breakdown torquemotor. Jika beban dinaikkan melebihi titik ini, motor akan stall dan segera berhenti.Umumnya, breakdown torque bervariasi dari 200 hingga 300% torque beban penuh. Torqueawal (starting torque) adalah nilai torque pada 100% slip dan normalny 150 hingga 200%torque beban penuh. Seiring dengan pertambahan kecepatan dari rotor, torque akan naikhingga breakdown torque dan turun mencapai nilai yang diperlukan untuk menarik bebanmotor pada kecepatan konstan, biasanya antara 0 – 10%. Gambar berikut menunjukkankarakteristik Torque terhadap slip.


11 of 19 3/5/2014 8:08 PM

3.4. Motor Satu FasaJika dua belitan stator dengan impedansi yang tidak sama dipisahkan sejauh 90 derajatlistrik dan terhubung secara parallel ke sumber satu fasa, medan yang dihasilkan akantampak berputar. Ini disebut dengan pemisahan fasa (phase splitting).

Pada motor fasa terpisah (split-phase motor), dipergunakanlah lilitan starting untukpenyalaan. Belitan ini mempunyai resistansi yang lebih tinggi dan reaktansi yang lebihrendah dari belitan utama. Jika tegangan yang sama VT dikenakan pada belitan starting danutama, arus pada belitan utama (IM) tertinggal dibelakang arus pada belitan starting (IS).Sudut antara kedua belitan mempunyai beda fasa yang cukup untuk menimbulkan medanputar untuk menghasilkan torque awal (starting torque). Ketika motor mencapai 70 hingga80% dari kecepatan sinkron, saklar sentrifugal pada sumbu motor membuka danmelepaskan belitan starting. Motor satu fasa biasanya digunakan untuk aplikasi kecil sepertiperalatan rumah tangga (contoh mesin pompa).

3.5. Motor SinkronMotor sinkron serupa dengan motor induksi pada mana keduanya mempunyai belitan statoryang menghasilkan medan putar. Tidak seperti motor induksi, motor sinkron dieksitasi olehsebuah sumber tegangan dc di luar mesin dan karenanya membutuhkan slip ring dan sikat(brush) untuk memberikan arus kepada rotor. Pada motor sinkron, rotor terkunci denganmedan putar dan berputar dengan kecepatan sinkron. Jika motor sinkron dibebani ke titikdimana rotor ditarik keluar dari keserempakannya dengan medan putar, maka tidak adatorque yang dihasilkan, dan motor akan berhenti. Motor sinkron bukanlah self-starting motorkarena torque hanya akan muncul ketika motor bekerja pada kecepatan sinkron; karenanyamotor memerlukan peralatan untuk membawanya kepada kecepatan sinkron.


12 of 19 3/5/2014 8:08 PM

Motor sinkron menggunakan rotor belitan. Jenis ini mempunyai kumparan yang ditempatkanpada slot rotor. Slip ring dan sikat digunakan untuk mensuplai arus kepada rotor. Penyalaan Motor SinkronSebuah motor sinkron dapat dinyalakan oleh sebuah motor dc pada satu sumbu. Ketikamotor mencapai kecepatan sinkron, arus AC diberikan kepada belitan stator. Motor dc saatini berfungsi sebagai generator dc dan memberikan eksitasi medan dc kepada rotor. Bebansekarang boleh diberikan kepada motor sinkron. Motor sinkron seringkali dinyalakan denganmenggunakan belitan sangkar tupai (squirrel-cage) yang dipasang di hadapan kutub rotor.Motor kemudian dinyalakan seperti halnya motor induksi hingga mencapai –95% kecepatansinkron, saat mana arus searah diberikan, dan motor mencapai sinkronisasi. Torque yangdiperlukan untuk menarik motor hingga mencapai sinkronisasi disebut pull-in torque. Seperti diketahui, rotor motor sinkron terkunci dengan medan putar dan harus terusberoperasi pada kecepatan sinkron untuk semua keadaan beban. Selama kondisi tanpabeban (no-load), garis tengah kutub medan putar dan kutub medan dc berada dalam satugaris (gambar dibawah bagian a). Seiring dengan pembebanan, ada pergeseran kutub rotorke belakang, relative terhadap kutub stator (gambar bagian b). Tidak ada perubahankecepatan. Sudut antara kutub rotor dan stator disebut sudut torque .

Gambar sudut torque (torque angle)Jika beban mekanis pada motor dinaikkan ke titik dimana rotor ditarik keluar darisinkronisasi , maka motor akan berhenti. Harga maksimum torque sehingga motortetap bekerja tanpa kehilangan sinkronisasi disebut pull-out torque.

4. GENERATOR AC (ALTERNATOR)

Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik(ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik.Generator ac, umumnya disebut alternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akandisuplai. Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar,


13 of 19 3/5/2014 8:08 PM

membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternatordi mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram danmenghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.Sumber lain : http://www.rowand.net/Shop/Tech/AlternatorGeneratorTheory.htm 4.1. Dasar-dasar Generator AC

Berapapun ukurannya, semua generator listrik, baik ac maupun dc, bergantung kepadaprinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalam sebuah kumparan sebagai hasil dari (1)kumparan yang memotong medan magnet, atau (2) medan magnet yang memotong sebuahkumparan. Sepanjang ada gerak relative antara sebuah konduktor dan medan magnet,tegangan akan diinduksikan dalam konduktor. Bagian generator yang mendapat induksitegangan adalah armature. Agar gerak relative terjadi antara konduktor dan medan magnet,semua generator haruslah mempunyai dua bagian mekanis yaitu rotor dan stator. ROTATING-ARMATURE ALTERNATORAlternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai konstruksi yangsama dengan generator dc yang mana armature berputar dalam sebuah medan magnetstasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikandari ac ke dc dengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator,tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada bebandengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada alternatoruntuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar. ROTATING-FIELD ALTERNATORSAlternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitanmedan yang berputar. Keuntungan menggunakan system belitan armature stasioner adalahbahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban. Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dariarmature ke beban. Armature, sikat dan slip ring sangat sulit untuk diisolasi, dan percikanbunga api dan hubung singkat dapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternatortegangan tinggi biasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yangdikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yangdijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi. Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai belitan yang dipotongoleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan yang dibangkitkan pada armaturesebagai hasil dari aksi potong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang melekat pada intiini.


14 of 19 3/5/2014 8:08 PM

Sumber : http://www.adtdl.army.mil/cgi-bin/atdl.dll/fm/55-509-1/Ch13.htm

4.2. Fungsi-Fungsi Komponen AlternatorSecara umum generator ac medan berputar terdiri atas sebuah alternator dan sebuahgenerator dc kecil yang dibangun dalam satu unit. Keluaran dari alternator merupakantegangan ac untuk menyuplai beban dan generator dc dikenal sebagai exciter untukmenyuplai arus searah bagi medan putar.


15 of 19 3/5/2014 8:08 PM

Gambar generator ac dan schematic-nya

Exciter adalah sebuah generator dc eksitasi sendiri dengan belitan shunt. Medan excitermenghasilkan intensitas fluks magnetic antara kutub-kutubnya. Ketika armature exciterberotasi dalam fluks medan exciter, tegangan diinduksikan dalam belitan armature exciter.Keluaran dari komutator exciter dihubungkan melalui sikat dan slip ring ke medanalternator. Karena arusnya adalah arus searah, maka arus selalu mengalir dalam satu arahmelalui medan alternator. Sehingga, medan magnet dengan polaritas tetap selalu terjadisepanjang waktu dalam belitan medan alternator. Ketika alternator diputar, fluksmagnetiknya dilalukan sepanjang belitan armature alternator. Tegangan bolak balik padabelitan armature generator ac dihubungkan ke beban melalui terminal.


16 of 19 3/5/2014 8:08 PM

PRIME MOVER (Penggerak Utama)Semua generator, besar dan kecil, ac dan dc, membutuhkan sebuah sumber daya mekanikuntuk memutar rotornya. Sumber daya mekanis ini disebut prime mover. Prime mover dibagidalam dua kelompok yaitu untuk high-speed generator dan low-speed generator. Turbin gasdan uap pada PLTG dan PLTU adalah penggerak utama berkecepatan tinggi sementara mesinpembakaran dalam (internal combustion engine), air pada PLTA dan motor listrik dianggapsebagai prime mover berkecepatan rendah. Jenis prime mover memainkan peranan penting dalam desain alternator karena kecepatanpada mana rotor diputar menentukan karakteristik operasi dan konstruksi alternator. ROTOR ALTERNATORAda dua jenis rotor yang digunakan untuk alternator medan berputar yaitu turbine-drivendan salient-pole rotor. Jenis turbine-driven digunakan untuk kecepatan tinggi dansalient-pole untuk kecepatan rendah. Belitan pada turbine-driven rotor disusun sedemikianrupa sehingga membentuk dua atau empat kutub yang berbeda. Belitan-belitan tersebutdilekatkan erat-erat di dalam slot agar tahan terhadap gaya sentrifugal pada kecepatantinggi. Salient-pole rotor seringkali terdiri dari beberapa kutub yang dibelit terpisah, dibautkan padakerangka rotor. Salient-pole rotor mempunyai diameter yang lebih besar dari turbine-drivenrotor. Pada putaran per menit yang sama, salient-pole memiliki gaya sentrifugal yang lebihbesar. Untuk menjaga keamanan dan keselatan sehingga belitannya tidak terlempar keluarmesin, salient-pole hanya digunakan pada aplikasi keceparan rendah.

4.3. Karakteristik Alternator dan BatasannyaAlternator di-rating berdasarkan tegangan yang dihasilkannya dan arus maksimum yangmampu diberikannya. Arus maksimum tergantung kepada rugi-rugi panas dalam armature.Rugi panas ini (rugi daya I2R) akan memanaskan konduktor, dan jika berlebihan akanmerusak isolasi. Karenanya, alternator di-rating sesuai dengan arus ini dan tegangankeluarannya – dalam volt-ampere atau untuk skala besar dalam kilovolt-ampere. Informasi mengenai kecepatan rotasinya, tegangan yang dihasilkan, batas arusnya dankarakteristik lainnya biasanya ditempelkan pada badan mesin – nameplate.

4.4. FrekuensiFrekuensi keluaran dari tegangan alternator tergantung kepada kecepatan rotasi dari rotordan jumlah kutubnya. Semakin cepat, semakin tinggi pula frekuensinya. Semakin lambat,semakin rendah pula frekuensinya. Semakin banyak kutub pada rotor, semakin tinggi pulafrekuensinya pada kecepatan tertentu.Ketika rotor telah berotasi beberapa derajat sehingga dua kutub berdekatan (utara danselatan) telah melewati satu belitan, tegangan yang diinduksikan dalam belitan tersebutakan bervariasi hingga selesai satu siklus. Untuk suatu frekuensi yang ditentukan, semakinbanyak jumlah kutub, semakin lambat kecepatan putaran. Prinsip ini dapat dijelaskansebagai berikut, misalkan; sebuah generator dua kutub harus berotasi dengan kecepatanempat kali lipat dari kecepatan generator delapan kutub untuk menghasilkan frekuensi yangsama dari tegangan yang dibangkitkan. Frekuensi pada semua generator ac dalam satuan


17 of 19 3/5/2014 8:08 PM

hertz (Hz), yaitu banyaknya siklus per detik, berkaitan dengan jumlah kutub dan kecepatanrotasi sesuai dengan persamaan berikut:

dimana P adalah jumlah kutub, N adalah kecepatan rotasi dalam revolusi per menit (rpm)dan 120 adalah sebuah konstanta untuk konversi dari menit ke detik dan dari jumlah kutubke jumlah pasangan kutub. Sebagai contoh, sebuah alternator dua kutub, 3600 rpmmempunyai frekuensi 60 Hz, ditentukan sebagai berikut:

Sebuah generator empat kutub dengan kecepatan 1800 rpm juga bekerja pada frekuensi 60Hz. Sebuah generator enam kutub 500 rpm mempunyai frekuensi

Sebuah generator 12 kutub dengan kecepatan 4000 rpm mempunyai frekuensi

4.5. Pengaturan Tegangan

Sebagaimana yang telah kita lihat, ketika beban pada generator berubah, tegangan terminalpun ikut berubah. Besarnya perubahan tergantung pada desain generator. Pengaturan tegangan pada sebuah alternator adalah perubahan tegangan dari beban penuhke tanpa beban, dinyatakan sebagai persentase tegangan beban penuh, ketika kecepatandan arus medan dc tetap konstan.

Anggap bahwa tegangan tanpa beban generator adalah 250 volt dan tegangan beban penuhadalah 220 volt. Persen regulasi adalah:

Untuk diingat, bahwa semakin kecil persentase regulasi, semakin baik pula regulasinyauntuk kebanyakan aplikasi.

4.6. Prinsip Pengaturan Tegangan ACDi dalam sebuah alternator, tegangan bolak balik diinduksikan dalam belitan armature ketikamedan magnet melewati belitan ini. Besarnya tegangan yang diinduksikan ini tergantungkepada tiga hal yaitu: (1) jumlah konduktor dengan hubungan seri pada setiap belitan, (2)


18 of 19 3/5/2014 8:08 PM

kecepatan (rpm generator) pada mana medan magnet memotong belitan, dan (3) kekuatanmedan magnet. Salah satu dari factor ini dapat digunakan untuk pengaturan tegangan yangdiinduksikan dalam belitan alternator. Jumlah belitan, tentu saja tidak berubah tetap ketika alternator diproduksi. Juga, jikafrekuensi keluaran harus konstan, maka kecepatan medan putar haruslah konstan pula. Inimengakibatkan penggunaan rpm alternator untuk pengaturan tegangan keluaran menjaditidak diperbolehkan. Sehingga, metode praktis untuk melakukan pengaturan tegangan adalah dengan mengaturkekuatan medan putar. Kekuatan medan elektromagnetik ini dapat berubah seiring denganperubahan besarnya arus yang mengalir melalui kumparan medan. Ini dapat dicapai denganmengubah-ubah besarnya tegangan yang dikenakan pada kumparan medan.

4.7. Operasi Paralel AlternatorAlternator dapat dihubungkan secara parallel untuk (1) meningkatkan kapasitas keluarandari suatu system melebihi apa yang didapat dari satu unit, (2) berfungsi sebagai dayacadangan tambahan untuk permintaan yang suatu ketika bertambah, atau (3) untukpemadaman satu mesin dan penyalaan mesin standby tanpa adanya pemutusan aliran daya. Ketika alternator-alternator yang sedang beroperasi pada frekuensi dan tegangan terminalyang berbeda, kerusakan parah dapat terjadi jika alternator-alternator tersebut secaramendadak dihubungkan satu sama lain pada satu bus yang sama (satu titik hubung). Untukmenghindari ini, mesin-mesin tersebut harus disinkronkan dahulu sebelum disambungkanbersama-sama. Ini dapat dicapai dengan menghubungkan satu generator ke bus (busgenerator), dan mensinkronkan generator lainnya sebelum keduanya disambungkan.Generator dikatakan sinkron jika memenuhi kondisi berikut:1. Tegangan terminal yang sama. Diperoleh dengan menyetel kekuatan medan bagi

generator yang hendak masuk ke dalam rangkaian (disambungkan).2. Frekuensi yang sama. Diperoleh dengan menyetel kecepatan prime mover dari

generator yang hendak disambungkan.3. Urutan fasa tegangan yang sama.

Referensi:Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya – ZUHALhttp://www.tpub.com/neets/book5/17.htmhttp://www.tpub.com/doeelecscience/electricalscience2143.htm


19 of 19 3/5/2014 8:08 PM

Materi Kuliah Teknik Tenaga Listrik

Documents