Materi Kuliah Teknik Tenaga Listrik · PDF filedihasilkan pada poros turbin menjadi energi listrik. Melalui transformator penaik tegangan

Materi Kuliah Teknik Tenaga Listrik1. SISTEM TENAGA LISTRIK

1.1. Elemen Sistem Tenaga

Salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untukmengirimkan energi adalah melalui bentuk energi listrik. Pada pusatpembangkit, sumberdaya energi primer seperti bahan baker fosil(minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubahmenjadi energi listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanis yangdihasilkan pada poros turbin menjadi energi listrik.

Melalui transformator penaik tegangan (step-up transformer), energilistrik ini kemudian dikirimkan melalui saluran transmisi bertegangantinggi menuju pusat-pusat beban. Peningkatan tegangan dimaksudkanuntuk mengurangi jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisiyang dengan demikian berarti rugi-rugi panas (heat-loss) I2R dapatdikurangi. Ketika saluran transmisi mencapai pusat beban, tegangantersebut kembali diturunkan menjadi tegangan menengah, melaluitransformator penurun tegangan (step-down transformer).

Di pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran distribusi, energilistrik ini diubah menjadi bentuk-bentuk energi terpakai lainnya sepertienergi mekanis (motor), penerangan, pemanas, pendingin, dansebagainya.

Satuan listrik :

Arus listrik (I) => ampere

Tegangan listrik (V) = beda potensial => volt

Tahanan (R) = resistansi => ohm

Reaktansi (X)=> ohm

Impedansi (Z)= R jX => ohm

Daya (S) = P jQ => volt ampere

Daya aktif (P) => watt

Daya reaktif (Q) => volt ampere reaktif

Energi (E) => watt-hour (watt-jam)

Faktor daya (cos ) => tidak ada satuan

1.2. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Pembangkit listrik jenis ini memanfaatkan bahan bakar minyak, gasalam, atau batubara untuk membangkitkan panas dan uap pada BOILER.Uap ini kemudian dipergunakan untuk memutar turbin yang dikopelkanlangsung dengan sebuah generator sinkron. Uap yang telah melalui turbinkemudian menjadi uap bertekanan dan bersuhu rendah. Uap ini kemudiandilewatkan melalui kondenser yang menyerap panas uap tersebutsehingga uap tersebut berubah menjadi air yang kemudian dipompakankembali menuju boiler.

1.3. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Sebagaimana halnya Pusat Listrik Tenaga Diesel, PLTG merupakanmesin dengan proses pembakaran dalam (internal combustion). Bahanbaker berupa minyak atau gas alam dibakar di dalam ruang pembakar(combustor). Udara yang memasuki kompresor setelah mengalamitekanan bersama-sama dengan bahan baker disemprotkan ke ruangpembakar untuk melakukan proses pembakaran. Gas panas sebagai hasilpembakaran ini kemudian bekerja sebagai fluida yang memutar rodaturbin yang terkopel dengan generator sinkron.

1.4. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

Pada reactor air tekan (pressurized water reactor) terdapat dua rangkaianyang seolah-olah terpisah. Pada rangkaian pertama bahan baker uranium-235 yang diperkaya dan tersusun dalam pipa-pipa berkelompok, disundutuntuk menghasilkan panas dalam reactor. Karena air dalam bejana penuh,maka tidak terjadi pembentukan uap, melainkan air menjadi panas danbertekanan. Air panas yang bertekanan tersebut kemudian mengalir kerangkaian kedua melalui suatu generator uap yang terbuat dari baja.Generator uap ini kemudian menghasilkan uap yang memutar turbin danproses selanjutnya mengikuti siklus tertutup sebagaimana berlangsungpada turbin uap PLTU.

1.5. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA)

Penggunaan tenaga air mungkin merupakan bentuk konversi energi tertuayang pernah dikenal manusia. Perbedaan vertical antara batas atas denganbatas bawah bendungan di mana terletak turbin air, dikenal sebagai tinggiterjun. Tinggi terjun ini mengakibatkan air yang mengalir akanmemperoleh energi kinetic yang kemudian mendesak sudu-sudu turbin.Bergantung kepada tinggi terjun dan debit air, dikenal tiga macam turbinyaitu: Pelton, Francis dan Kaplan.

2. DASAR ELEKTROMEKANIK

2.1. Konversi Energi Elektromekanik

Konversi energi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor)maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator)berlangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubahdari satu system ke system lainnya, sementara akan tersimpan padamedium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energisystem lainnya. Dengan demikian, medan magnet di sini selain berfungsisebagai tempat penyimpanan energi juga sekaligus sebagai mediumuntuk mengkopel perubahan energi.

Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energielektromekanik dapat dinyatakan sebagai berikut (untuk motor):

(Energi Listrik sebagai input) = (Energi Mekanik sebagai output + Energipanas) + (Energi pada medan magnet dan rugi-rugi magnetic)

atau dalam persamaan differensial, konversi energi dari elektris ke mekanis adalahsebagai berikut:

dWE = dWM + dWF

Ini hanya berlaku ketika proses konversi energi sedang berlangsung pada keadaandinamis yang transient. Untuk keadaan tunak, dimana fluks merupakan harga yangkonstan, maka

dWF = 0

dWE = dWM

2.2. Gaya Gerak Listrik

Apabila sebuah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh ds memotongsuatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan flukspada konduktor dengan panjang efektif l adalah:

d = B l ds

Dari Hukum Faraday diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl)

E = d/dt

Maka e = B l ds/dt; dimana ds/dt = v = kecepatan

Jadi, e = B l v

2.3. Kopel

Arus listrik I yang dihasilkan di dalam suatu medan magnet dengankerapatan fluks B akan menghasilkan suatu gaya F sebesar:

F = B I l

Jika jari-jari rotor adalah r, maka kopel yang dibangkitkan adalah

T = F r

Perlu diingat bahwa saat gaya F dibangkitkan, konduktor bergerak didalam medan magnet da seperti diketahui akan menimbulkan gaya geraklistrik yang merupakan reaksi (lawan) terhadap tegangan penyebabnya.Agar proses konversi energi listrik menjadi energi mekanik (motor) dapatberlangsung, tegangan sumber harus lebih besar daripada gaya geraklistrik lawan.

Begitu pula, suatu gerak konduktor di dalam medan magnet akanmembangkitkan tegangan e = B l V dan bila dihubungkan dengan beban,akan mengalir arus listrik I atau energi mekanik berubah menjadi energilistrik (generator). Arus listrik yang mengalir pada konduktor tadimerupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medanmagnet yang telah ada (B). Interaksi medan magnet merupakan gayareaksi (lawan) terhadap gerak mekanik yang diberikan. Agar konversienergi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, energi mekanik yangdiberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi.

2.4. Mesin Dinamik Elementer

Pada umumnya mesin dinamik terdiri atas bagian yang berputar disebutrotor dan bagian yang diam disebut stator. Di antara rotor dan statorterdapat celah udara. Stator merupakan kumparan medan yang berbentukkutub sepatu dan rotor merupakan kumparan jangkar dengan belitankonduktor yang saling dihubungkan ujungnya (lihat gambar) untukmendapatkan tegangan induksi (ggl).

Jika kumparan rotor diputar dengan arah berlawanan dari arah jarum jam,tegangan akan dibangkitkan dengan arah yang berlawanan pada keduaujung rotor yang tidak dihubungkan.

Simulasi mesin dinamis (generator) dapat dilihat pada situs ini.

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

2.5. Interaksi Medan Magnet

Kerja suatu mesin dinamis dapat juga dilihat dari segi adanya interaksiantar medan magnet stator dan rotor, yaitu:

F = B I l

Seperti diketahui, arus listrik (I) pada persamaan di atas akanmenimbulkan fluks juga di sekitar konduktor yang dilalui. Bila kerapatanfluks akibat arus listrik dinyatakan dengan Bs (pada stator), sedangkerapatan fluks akibat kumparan medan adalah Br (pada rotor), makadapat dituliskan:

T = K Br Bs sin

Dimana

adalah sudut antara kedua sumbu medan magnet Br dan Bs

K adalah konstanta l x r

Sudut dikenal sebagai sudut kopel atau sudut daya dengan hargamaksimum = 90o. Dengan menganggap Br dan Bs sebagai fungsi arusrotor dan arus stator, persamaan kopel menjadi:

T = K Ir Is sin

Dengan demikian, kopel terjadi sebagai interaksi antara dua medanmagnet atau dua arus.

2.6. Derajat Listrik

Pada setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang ditimbulkansudah menyelesaikan p/2 kali putaran. Maka untuk mesin 4 kutub, satukali putaran mekanik mesin (360o) berarti sama dengan dua kali putaranlistrik (720o). Persamaan umumnya adalah sebagai berikut:

e = (p/2) m

p = jumlah kutub mesin

e = sudut listrik

m = sudut mekanik

2.7. Frekuensi

Dari persamaan di atas, diketahui bahwa untuk setiap satu siklustegangan listrik yang dihasilkan, mesin telah menyelesaikan p/2 kaliputaran. Karena itu frekuensi gelombang tegangan adalah:

f = (p/2) (n/60)

n = rotasi per menit

n/60 = rotasi perdetik

Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakandengan

ns = 120 (f/p)

Jadi misalnya untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50putaran per detik dan mempunyai jumlah kutub p=2, maka kecepatanberputar 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 luaspenggunaannya. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motorini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksisebagai akibat adanya perbedaan relative antara putaran rotor dengan medanputar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.

Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akanmenghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns =120f/2p). Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuai dengan HukumLentz, rotor pun akan ikut berputar mengikuti medan putar stator.

Perbedaan putaran relative antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnyabeban, akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesarpula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator danputaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi , bila beban motor bertambah,putaran rotor cenderung menurun. Dikenal dua tipe motor induksi yaitu motorinduksi dengan rotor belitan dan rotor sangkar.

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.htm

Sebelum kita membahas bagaimana rotating magnetic field (medanputar) menyebabkan sebuah motor berputar, marilah kita tinjaubagaimana medan putar ini dihasilkan. Gambar berikut menunjukkansebuah stator tiga fasa dengan suplai arus bolak balik tiga fasa pula.

Belitan stator terhubung wye (Y). Dua belitan pada masing-masing fasadililitkan dalam arah yang sama. Sepanjang waktu, medan magnet yangdihasilkan oleh setiap fasa akan tergantung kepada arus yang mengalirmelalui fasa tersebut. Jika arus listrik yang melalui fasa tersebut adalahnol (zero), maka medan magnet yang dihasilkan akan nol pula. Jika arusmengalir dengan harga maksimum, maka medan magnet berada padaharga maksimum pula. Karena arus yang mengalir pada system tiga fasamempunyai perbedaan 120o, maka medan magnet yang dihasilkan jugaakan mempunyai perbedaan sudut sebesar 120o pula.

Ketiga medan magnet yang dihasilkan akan membentuk satu medan,yang akan beraksi terhadap rotor. Untuk motor induksi, sebuah medanmagnet diinduksikan kepada rotor sesuai dengan polaritas medan magnetpada stator. Karenanya, begitu medan magnet stator berputar, maka rotorjuga berputar agar bersesuaian dengan medan magnet stator.

Gambar belitan stator tiga fasa.

Pada sepanjang waktu, medan magnet dari masing-masing fasabergabung untuk menghasilkan medan magnet yang posisinya bergeserhingga beberapa derajat. Pada akhir satu siklus arus bolak balik, medanmagnet tersebut telah bergeser hingga 360o, atau satu putaran. Dankarena rotor juga mempunyai medan magnet berlawanan arah yangdiinduksikan kepadanya, rotor juga akan berputar hingga satu putaran.Penjelasan mengenai ini dapat dilihat pada gambar selanjutnya.

Putaran medan magnet dijelaskan pada gambar di bawah dengan“menghentikan” medan tersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandaidengan interval 60o pada gelombang sinus yang mewakili arus yangmengalir pada tiga fasa A,B, dan C. Jika arus mengalir dalam suatu fasaadalah positif, medan magnet akan menimbulkan kutub utara pada kutubstator yang ditandai dengan A’, B’, dan C’.

Gambar putaran motor induksi dan medan putar.

Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positifmaksimumnya. Pada saat yang sama, arus pada fasa A dan B berada padaseparuh harga negative maksimumnya. Medan magnet yang dihasilkanterbentuk secara vertical dengan arah ke bawah, dengan kekuatan medanmaksimum terjadi sepanjang fasa C, antara kutub C (utara) dengan C’(selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemahyang dihasilkan sepanjang fasa A dan B, dengan kutub-kutub A’ dan B’menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan B menjadi kutub-kutub selatan.

Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 60 derajatlistrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa A telah naik hingga harganegative maksimumnya. Arus pada fasa B mempunya arah yangberlawanan dan berada pada separuh harga maksimum positifnya. Begitupula arus pada fasa C telah turun hingga separuh dari harga maksimumpositifnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk ke kiri arah bawah,dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasa A, antara kutub-kutubA’ (utara) dan A (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medanyang 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 kutub-kutub selatan. Di sini terlihat bahwa medan magnet padastator motor secara fisik telah berputar sebanyak 60o.

Pada posisi T3, gelombang sinus arus berputar lagi 60 derajat listrik dariposisi sebelumnya hingga total rotasi pada posisi ini sebesar 120 derajatlistrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa B telah naik hingga mencapaiharga positif maksimumnya. Arus pada fasa A telah turun hingga separuhdari harga negative maksimumnya, sementara arus pada fasa C telahberbalik arah dan berada pada separuh harga negative maksimumnyapula. Medan magnet yang dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengankekuatan medan maksimum sepanjang fasa B, antara kutub B (utara) danB’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebihlemah 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 terlihat di sini bahwa medan magnet pada stator telah berputar60o lagi dengan total putaran sebesar 120o.

Pada posisi T4, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 180 derajatlistrik dari titik T1 sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalahindentik dengan posisi T1 kecuali bahwa polaritasnya telah berbalik.Karena fasa C kembali pada harga maksimum, medan magnet yangdihasilkan sepanjang fasa C kembali berada pada harga maksimum,medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C akan memiliki kekuatanmedan maksimum. Meskipun demikian, dengan arus yang mengalirdalam arah yang berlawanan pada fasa C, medan magnet yang timbulmempunyai arah ke atas antara kutub C’ (utara) dan C (selatan). Terlihatbahwa medan magnet sekarang telah berotasi secara fisik sebanyak 180odari posisi awalnya.

Pada posisi T5, fasa A berada pada harga positif maksimumnya, yangmenghasilkan medan magnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali,medan magnet secara fisik telah berputar 60o dari titik sebelumnyasehingga total rotasi sebanyak 240o. Pada titik T6, fasa B berada padaharga maksimum negative yang menghasilkan medan magnet ke arahbawah sebelah kanan. Medan magnet pun telah berotasi sebesar 60o darititik T5 sehingga total rotas adalah 300o.

Akhirnya, pada titik T7, arus kembali ke polaritas dan nilai yang samaseperti pada Posisi T1. Karenanya, medan magnet yang dihasilkan padaposisi ini akan identik dengan pada posisi T1. Dari pembahasan ini,terlihat bahwa untuk satu putaran penuh gelombang sinus listrik (360o),medan magnet yang timbul pada stator sebuah motor juga berotasi satuputaran penuh (360o). Sehingga, dengan menerapkan tiga-fasa ACkepada tigfa belitan yang terpisah secara simetris sekitar stator, medanputar (rotating magnetic field) juga timbul.

3.2. SLIP

Jika arus bolak balik dikenakan pada belitan stator dari sebuah motorinduksi, sebuah medan putar timbul. Medan putar ini memotong batangrotor dan menginduksikan arus kepada rotor. Arah aliran arus ini dapatditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri untuk generator.

Arus yang diinduksikan ini akan menghasilkan medan magnet di sekitarpenghantar rotor, berlawanan polaritas dari medan stator, yang akanmengejar medan magnet pada stator. Karena medan pada stator terusmenerus berputar, rotor tidak pernah dapat menyamakan posisidengannya alias selalu tertinggal dan karenanya akan terus mengikutiputaran medan pada stator sebagaimana ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar Induction Motor

Dari penjelasan di atas, terlihat bahwa rotor pada motor induksi tidak pernah dapatberputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan putar. Jikakecepatan rotor sama dengan keceparan medan putar stator, maka tidak ada gerakrelatif antara keduanya, dan tidak akan ada induksi EMF kepada rotor. Tanpainduksi EMF ini, tidak akan ada interaksi medan yang diperlukan untukmenimbulkan gerak. Rotor, karenanya ahrus berputar dengan kecepatan yang lebihrendah dari kecepatan medan putar stator jika gerak relatif tersebut harus adaantara keduanya.

Persentase perbedaan antara kecepatan rotor dan kecepatan medan putar disebutdengan slip. Semakin kecil slip, semakin dekat pula kecepatan rotor dengankecepatan 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 dicaridengan menggunakan Equation (12-2).

dimana

Contoh: Sebuah motor induksi dua kutub, 60 Hz, mempunyai kecepatan padabeban penuh sebesar 3554 rpm. Berapakah persentase slip pada beban penuh?

Solusi:

3.3. Torque

Torque motor induksi AC tergantug kepada kekuatan medan rotor danstator yang saling berinteraksi dan hubungan fasa antara keduanya.Torque dapat dihitung dengan Equation (12-3).

dimana

Selama operasi normal, K, , dan cos adalah konstan, sehingga torqueberbanding lurus dengan arus rotor. Arus rotor meningkat denganproporsi yang sama dengan slip. Perubahan torque terhadap slipmenunjukkan bahwa begitu slip naik dari nol hingga –10%, torque naiksecara linier. Begitu torque dan slip naik melebihi torque beban penuh,maka torque akan mencapai harga maksimum sekitar 25% slip. Torquemaksimum disebut breakdown torque motor. Jika beban dinaikkanmelebihi titik ini, motor akan stall dan segera berhenti. Umumnya,breakdown torque bervariasi dari 200 hingga 300% torque beban penuh.Torque awal (starting torque) adalah nilai torque pada 100% slip dannormalny 150 hingga 200% torque beban penuh. Seiring denganpertambahan kecepatan dari rotor, torque akan naik hingga breakdowntorque dan turun mencapai nilai yang diperlukan untuk menarik bebanmotor pada kecepatan konstan, biasanya antara 0 – 10%. Gambar berikutmenunjukkan karakteristik Torque terhadap slip.

3.4. Motor Satu Fasa

Jika dua belitan stator dengan impedansi yang tidak sama dipisahkansejauh 90 derajat listrik dan terhubung secara parallel ke sumber satufasa, medan yang dihasilkan akan tampak berputar. Ini disebut denganpemisahan fasa (phase splitting).

Pada motor fasa terpisah (split-phase motor), dipergunakanlah lilitanstarting untuk penyalaan. Belitan ini mempunyai resistansi yang lebihtinggi dan reaktansi yang lebih rendah dari belitan utama. Jika teganganyang sama VT dikenakan pada belitan starting dan utama, arus padabelitan utama (IM) tertinggal dibelakang arus pada belitan starting (IS).Sudut antara kedua belitan mempunyai beda fasa yang cukup untukmenimbulkan medan putar untuk menghasilkan torque awal (startingtorque). Ketika motor mencapai 70 hingga 80% dari kecepatan sinkron,saklar sentrifugal pada sumbu motor membuka dan melepaskan belitanstarting. Motor satu fasa biasanya digunakan untuk aplikasi kecil sepertiperalatan rumah tangga (contoh mesin pompa).

3.5. Motor Sinkron

Motor sinkron serupa dengan motor induksi pada mana keduanyamempunyai belitan stator yang menghasilkan medan putar. Tidak sepertimotor induksi, motor sinkron dieksitasi oleh sebuah sumber tegangan dcdi luar mesin dan karenanya membutuhkan slip ring dan sikat (brush)untuk memberikan arus kepada rotor. Pada motor sinkron, rotor terkuncidengan medan putar dan berputar dengan kecepatan sinkron. Jika motorsinkron dibebani ke titik dimana rotor ditarik keluar darikeserempakannya dengan medan putar, maka tidak ada torque yangdihasilkan, dan motor akan berhenti. Motor sinkron bukanlah self-starting motor karena torque hanya akan muncul ketika motor bekerjapada kecepatan sinkron; karenanya motor memerlukan peralatan untukmembawanya kepada kecepatan sinkron.

Motor sinkron menggunakan rotor belitan. Jenis ini mempunyaikumparan yang ditempatkan pada slot rotor. Slip ring dan sikatdigunakan untuk mensuplai arus kepada rotor.

Penyalaan Motor Sinkron

Sebuah motor sinkron dapat dinyalakan oleh sebuah motor dc pada satusumbu. Ketika motor mencapai kecepatan sinkron, arus AC diberikankepada belitan stator. Motor dc saat ini berfungsi sebagai generator dcdan memberikan eksitasi medan dc kepada rotor. Beban sekarang bolehdiberikan kepada motor sinkron. Motor sinkron seringkali dinyalakandengan menggunakan belitan sangkar tupai (squirrel-cage) yangdipasang di hadapan kutub rotor. Motor kemudian dinyalakan sepertihalnya motor induksi hingga mencapai –95% kecepatan sinkron, saatmana arus searah diberikan, dan motor mencapai sinkronisasi. Torqueyang diperlukan untuk menarik motor hingga mencapai sinkronisasidisebut pull-in torque.

Seperti diketahui, rotor motor sinkron terkunci dengan medan putar danharus terus beroperasi pada kecepatan sinkron untuk semua keadaanbeban. Selama kondisi tanpa beban (no-load), garis tengah kutub medanputar dan kutub medan dc berada dalam satu garis (gambar dibawahbagian a). Seiring dengan pembebanan, ada pergeseran kutub rotor kebelakang, relative terhadap kutub stator (gambar bagian b). Tidak adaperubahan kecepatan. Sudut antara kutub rotor dan stator disebut suduttorque .

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 sehinggamotor tetap bekerja tanpa kehilangan sinkronisasi disebut pull-out torque.

4. GENERATOR AC (ALTERNATOR)

Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumbertegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang palingpenting untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator ac, umumnya disebutalternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai.

Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar,membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contohlainnya adalah alternator di mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya.Beratnya hanya beberapa kilogram dan menghasilkan daya sekitar 100 hingga200 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 kepada prinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalamsebuah kumparan sebagai hasil dari (1) kumparan yang memotong medanmagnet, atau (2) medan magnet yang memotong sebuah kumparan.Sepanjang ada gerak relative antara sebuah konduktor dan medanmagnet, tegangan akan diinduksikan dalam konduktor. Bagian generatoryang mendapat induksi tegangan adalah armature. Agar gerak relativeterjadi antara konduktor dan medan magnet, semua generator haruslahmempunyai dua bagian mekanis yaitu rotor dan stator.

ROTATING-ARMATURE ALTERNATOR

Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyaikonstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputardalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emfdibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dcdengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator,tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskankepada beban dengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerakdapat dijumpai pada alternator untuk daya rendah dan umumnya tidakdigunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar.

ROTATING-FIELD ALTERNATORS

Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasionerdan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakansystem belitan armature stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkandapat dihubungkan langsung ke beban.

Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untukmenghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ringsangat sulit untuk diisolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkatdapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggibiasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yangdikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah,problem yang dijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi.

Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyaibelitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field).Tegangan yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksipotong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.

Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yangmelekat pada inti ini.

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

4.2. Fungsi-Fungsi Komponen Alternator

Secara umum generator ac medan berputar terdiri atas sebuah alternatordan sebuah generator dc kecil yang dibangun dalam satu unit. Keluarandari alternator merupakan tegangan ac untuk menyuplai beban dangenerator dc dikenal sebagai exciter untuk menyuplai arus searah bagimedan putar.

Gambar generator ac dan schematic-nya

Exciter adalah sebuah generator dc eksitasi sendiri dengan belitan shunt. Medanexciter menghasilkan intensitas fluks magnetic antara kutub-kutubnya. Ketikaarmature exciter berotasi dalam fluks medan exciter, tegangan diinduksikan dalambelitan armature exciter. Keluaran dari komutator exciter dihubungkan melaluisikat dan slip ring ke medan alternator. Karena arusnya adalah arus searah, makaarus selalu mengalir dalam satu arah melalui medan alternator. Sehingga, medanmagnet dengan polaritas tetap selalu terjadi sepanjang waktu dalam belitan medanalternator. Ketika alternator diputar, fluks magnetiknya dilalukan sepanjang belitan

armature alternator. Tegangan bolak balik pada belitan armature generator acdihubungkan ke beban melalui terminal.

PRIME MOVER (Penggerak Utama)

Semua generator, besar dan kecil, ac dan dc, membutuhkan sebuah sumber dayamekanik untuk memutar rotornya. Sumber daya mekanis ini disebut prime mover.Prime mover dibagi dalam dua kelompok yaitu untuk high-speed generator danlow-speed generator. Turbin gas dan uap pada PLTG dan PLTU adalah penggerakutama berkecepatan tinggi sementara mesin pembakaran dalam (internalcombustion engine), air pada PLTA dan motor listrik dianggap sebagai primemover berkecepatan rendah.

Jenis prime mover memainkan peranan penting dalam desain alternator karenakecepatan pada mana rotor diputar menentukan karakteristik operasi dankonstruksi alternator.

ROTOR ALTERNATOR

Ada dua jenis rotor yang digunakan untuk alternator medan berputar yaitu turbine-driven dan salient-pole rotor. Jenis turbine-driven digunakan untuk kecepatantinggi dan salient-pole untuk kecepatan rendah. Belitan pada turbine-driven rotordisusun sedemikian rupa sehingga membentuk dua atau empat kutub yang berbeda.Belitan-belitan tersebut dilekatkan erat-erat di dalam slot agar tahan terhadap gayasentrifugal pada kecepatan tinggi.

Salient-pole rotor seringkali terdiri dari beberapa kutub yang dibelit terpisah,dibautkan pada kerangka rotor. Salient-pole rotor mempunyai diameter yang lebihbesar dari turbine-driven rotor. Pada putaran per menit yang sama, salient-polememiliki gaya sentrifugal yang lebih besar. Untuk menjaga keamanan dankeselatan sehingga belitannya tidak terlempar keluar mesin, salient-pole hanyadigunakan pada aplikasi keceparan rendah.

4.3. Karakteristik Alternator dan Batasannya

Alternator di-rating berdasarkan tegangan yang dihasilkannya dan arusmaksimum yang mampu diberikannya. Arus maksimum tergantungkepada rugi-rugi panas dalam armature. Rugi panas ini (rugi daya I2R)akan memanaskan konduktor, dan jika berlebihan akan merusak 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, batasarusnya dan karakteristik lainnya biasanya ditempelkan pada badanmesin – nameplate.

4.4. Frekuensi

Frekuensi keluaran dari tegangan alternator tergantung kepada kecepatanrotasi dari rotor dan jumlah kutubnya. Semakin cepat, semakin tinggipula frekuensinya. Semakin lambat, semakin rendah pula frekuensinya.Semakin banyak kutub pada rotor, semakin tinggi pula frekuensinya padakecepatan tertentu.

Ketika rotor telah berotasi beberapa derajat sehingga dua kutubberdekatan (utara dan selatan) telah melewati satu belitan, tegangan yangdiinduksikan dalam belitan tersebut akan bervariasi hingga selesai satusiklus. Untuk suatu frekuensi yang ditentukan, semakin banyak jumlahkutub, semakin lambat kecepatan putaran. Prinsip ini dapat dijelaskansebagai berikut, misalkan; sebuah generator dua kutub harus berotasidengan kecepatan empat kali lipat dari kecepatan generator delapan kutubuntuk menghasilkan frekuensi yang sama dari tegangan yangdibangkitkan. Frekuensi pada semua generator ac dalam satuan hertz(Hz), yaitu banyaknya siklus per detik, berkaitan dengan jumlah kutubdan kecepatan rotasi sesuai dengan persamaan berikut:

dimana P adalah jumlah kutub, N adalah kecepatan rotasi dalam revolusiper menit (rpm) dan 120 adalah sebuah konstanta untuk konversi darimenit ke detik dan dari jumlah kutub ke jumlah pasangan kutub. Sebagaicontoh, sebuah alternator dua kutub, 3600 rpm mempunyai frekuensi 60Hz, ditentukan sebagai berikut:

Sebuah generator empat kutub dengan kecepatan 1800 rpm juga bekerjapada frekuensi 60 Hz.

Sebuah generator enam kutub 500 rpm mempunyai frekuensi

Sebuah generator 12 kutub dengan kecepatan 4000 rpm mempunyaifrekuensi

4.5. Pengaturan Tegangan

Sebagaimana yang telah kita lihat, ketika beban pada generator berubah,tegangan terminal pun ikut berubah. Besarnya perubahan tergantung padadesain generator.

Pengaturan tegangan pada sebuah alternator adalah perubahan tegangandari beban penuh ke tanpa beban, dinyatakan sebagai persentase teganganbeban penuh, ketika kecepatan dan arus medan dc tetap konstan.

Anggap bahwa tegangan tanpa beban generator adalah 250 volt dantegangan beban penuh adalah 220 volt. Persen regulasi adalah:

Untuk diingat, bahwa semakin kecil persentase regulasi, semakin baikpula regulasinya untuk kebanyakan aplikasi.

4.6. Prinsip Pengaturan Tegangan AC

Di dalam sebuah alternator, tegangan bolak balik diinduksikan dalambelitan armature ketika medan magnet melewati belitan ini. Besarnyategangan yang diinduksikan ini tergantung kepada tiga hal yaitu: (1)jumlah konduktor dengan hubungan seri pada setiap belitan, (2)kecepatan (rpm generator) pada mana medan magnet memotong belitan,dan (3) kekuatan medan magnet. Salah satu dari factor ini dapatdigunakan untuk pengaturan tegangan yang diinduksikan dalam belitanalternator.

Jumlah belitan, tentu saja tidak berubah tetap ketika alternatordiproduksi. Juga, jika frekuensi keluaran harus konstan, maka kecepatan

medan putar haruslah konstan pula. Ini mengakibatkan penggunaan rpmalternator untuk pengaturan tegangan keluaran menjadi tidakdiperbolehkan.

Sehingga, metode praktis untuk melakukan pengaturan tegangan adalahdengan mengatur kekuatan medan putar. Kekuatan medanelektromagnetik ini dapat berubah seiring dengan perubahan besarnyaarus yang mengalir melalui kumparan medan. Ini dapat dicapai denganmengubah-ubah besarnya tegangan yang dikenakan pada kumparanmedan.

4.7. Operasi Paralel Alternator

Alternator dapat dihubungkan secara parallel untuk (1) meningkatkankapasitas keluaran dari suatu system melebihi apa yang didapat dari satuunit, (2) berfungsi sebagai daya cadangan tambahan untuk permintaanyang suatu ketika bertambah, atau (3) untuk pemadaman satu mesin danpenyalaan mesin standby tanpa adanya pemutusan aliran daya.

Ketika alternator-alternator yang sedang beroperasi pada frekuensi dantegangan terminal yang berbeda, kerusakan parah dapat terjadi jikaalternator-alternator tersebut secara mendadak dihubungkan satu samalain pada satu bus yang sama (satu titik hubung). Untuk menghindari ini,mesin-mesin tersebut harus disinkronkan dahulu sebelum disambungkanbersama-sama. Ini dapat dicapai dengan menghubungkan satu generatorke bus (bus generator), dan mensinkronkan generator lainnya sebelumkeduanya disambungkan. Generator dikatakan sinkron jika memenuhikondisi berikut:

1. Tegangan terminal yang sama. Diperoleh dengan menyetel kekuatanmedan bagi generator yang hendak masuk ke dalam rangkaian(disambungkan).

2. Frekuensi yang sama. Diperoleh dengan menyetel kecepatan primemover dari generator yang hendak disambungkan.

3. Urutan fasa tegangan yang sama.

Referensi:

Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya – ZUHAL

http://www.tpub.com/neets/book5/17.htm

http://www.tpub.com/doeelecscience/electricalscience2143.htm