Bab I
Pendahuluan
A. Latar Belakang
Generator induksi sering disebut juga alternator atau generator sinkron. Generator induksi adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator induksi dapat berupa generator induksi 3 phasa dan generator induksi 1 phasa tergantung dari kebutuhan.
Peningkatan kebutuhan energi listrik di dunia ini terjadi seiring dengan pertumbuhan penduduk. Energi listrik disalurkan dari pembangkit ke konsumen melalui berbagai tahapan. Digunakan energi listrik dalam penyaluran ini karena energi listrik mudah dikonversikan ke bentuk lain seperti panas, gerak, kimia, cahaya, dll. Dalam pembangkitan energi listrik ini digunakan generator terutama generator sinkron. Pemilihan generator sinkron daripada generator asinkron dikarenakan generator sinkron bisa menghasilkan daya aktif dan daya reaktif, dapat dibuat untuk menghasilkan daya yang lebih besar, dan lebih mudah dalam pengaturan frekuensi dan tegangan. Disebut sinkron karena kecepatan medan putar stator sama dengan kecepatan putar rotor. Generator sinkron juga digunakan tersendiri oleh konsumen yang langsung menyuplai peralatan mereka.
B. Rumusan Masalah
Pada penulisan makalah ini penulis mencoba merumuskan bagaimana Konstruksi kutub luar dan GGL Induksi Generator kutub luar.
C. Manfaat
Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk memberikan informasi kepada penulis maupun pembaca tentang mengenai Konstruksi kutub luar dan GGL Induksi Generator kutub luar. Sehingga pembaca dapat menguraikan kegunaan / fungsi bagian dari Generator Induksi (Sinkron) dan dapat menguraikan terjadinya GGL pada Generator Induksi (Sinkron)
Bab II
Pembahasan
Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Bila dioperasikan sebagai motor, mesin induksi harus dihubungkan dengan sumber tegangan ( jala – jala ) yang akan memberikan energi mekanis pada mesin tersebut dengan mengambil arus eksitasi dari jala – jala dan mesin bekerja dengan slip lebih besar dari nol sampai satu.
Jika mesin dioperasikan sebagai generator, maka diperlukan daya mekanis untuk memutar rotornya searah dengan arah medan putar melebihi kecepatan sinkronnya dan sumber daya reaktif untuk memenuhi kebutuhan arus eksitasinya. Kebutuhan daya reaktif dapat diperoleh dari jala – jala atau dari suatu kapasitor. Tanpa adanya daya reaktif, mesin induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak menghasilkan tegangan. Jika generator induksi terhubung dengan jala – jala, maka kebutuhan daya reakt if diambil dari jala – jala. Namun, bila generator induksi tidak tehubung dengan jala – jala, maka kebutuhan daya reaktif dapat disediakan dari suatu unit kapasitor. Kapasitor tersebut dihubungkan paralel dengan terminal keluaran generator. Kapasitor yang terpasang harus mampu memberikan daya reaktif yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluksi di celah udara. Karena generator dapat melakukan eksitasi sendiri maka generator tersebut dinamakan generator induksi penguatan sendiri. Mesin induksi yang beroperasi sebagai generator ini bekerja dengan slip yang lebih kecil dari nol.
Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator induksi (alternator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya.
Yang membedakan antara generator 3 phasa dengan generator 1 phasa adalah hanya dalam statornya yaitu generator 3 phasa memiliki 3 kumparan sedangkan generator 1 phasa hanya memiliki 1 kumparan.
A. Prinsip Kerja
Generator Arus Bolak Balik ( Generator AC ), yang juga disebut alternator adalah mesin listrik yang berfungsi mengubah energi gerak menjadi energi listrik berdasarkan induksi kemagnitan.
Prinsip kerja generator AC sesuai dengan percobaan Faraday: Jika suatu kumparan digerakkan atau diputar pada flux magnit yang serba sama, maka pada kumparan akan timbul ggl induksi, atau Jika suatu kumparan berada pada flux magnit yang berubah arah dan besarnya, maka pada kumparan akan timbul ggl induksi.
GGl induksi yang timbul dalam kumparan mempunyai arah yang telah ditentukan berdasarkan kaidah tangan kanan dari Ian Fleming yang menyatakan: Jika jari-jari tangan kanan disusun sedemikian rupa sehingga kedudukan ibu jari, jari telunjuk dan telapak tangan saling tegak lurus maka ibu jari akan menunjukkan arah putara atau arah gerakan kumparan, jari telunjuk menunjukkan arah arah ggl induksi yang timbul pada kumparan dan telapak tangan menunjukkan flux magnit.
B. Konstruksi Kutub Luar
Generator Induksi secara mendasar terdiri dari stator, rotor, dan celah udara. Pada generator sinkron, kumparan jangkar dapat terletak pada stator maupun rotor tetapi yang dibahas dalam makalah ini adalah generator yang memiliki konstruksi kutub luar. Disebut generator kutub luar karena kutub-kutub magnitnya diam (berada pada stator), sedangkan kumparan pembangkit ggl induksi berada pada rotor (berputar). Pada umumnya kumparan medan terletak pada rotor dan kumparan jangkar terletak pada stator. Semua alternator di atas 5 kVA menggunakan susunan ini. Kumparan medan berfungsi untuk menghasilkan medan magnet, sedangkan kumparan jangkar berfungsi untuk menghasilkan GGL induksi. Peletakan kumparan medan pada rotor dan kumparan jangkar pada stator ini memiliki keunggulan tersendiri terhadap peletakan kumparan medan pada stator dan kumparan jangkar pada rotor, yaitu:
• Lebih mudah untuk mengisolasi kumparan jangkar yang terletak di stator pada generator tegangan tinggi. Hal ini dikarenakan kumparan jangkar tidak mengalami gaya sentrifugal dan juga karena tersedianya ruangan yang lebih banyak bagi kumparan jangkar apabila terletak pada stator.
• Kumparan jangkar dapat dihubungkan ke beban tanpa menggunakan sikat dan slip ring.
• Pendinginan kumparan jangkar lebih mudah dilakukan dan lebih efektif sehingga memungkinkan pembuatan generator dengan daya yang lebih besar.
• Susunan ini hanya membutuhkan dua buah slip ring pada rotor untuk mengalirkan arus dc. Apabila kumparan jangkar terletak pada rotor, maka diperlukan minimal 3 buah slip ring (4 buah jika diperlukan penghantar netral).
• Karena arus medan jauh lebih kecil daripada arus jangkar, maka dengan penempatan kumparan medan di rotor, dapat menghemat konstruksi slip ring dan sikat.
• Daya yang dihasilkan lebih besar untuk ukuran mesin yang sama.
• Memungkinkan penggunaan konduktor jangkar yang lebih tebal dalam tujuan mengurangi rugi-rugi daya karena lubang slot pada stator dapat dibuat lebih dalam daripada rotor.
• Kumparan medan lebih ringan daripada kumparan jangkar. Jadi dengan penempatan kumparan medan pada rotor, gaya sentrifugal yang dialami rotor tidak terlalu besar sehingga memungkinkan rotor berputar pada kecepatan yang lebih tinggi.
B.1 Stator
Stator merupakan bagian yang diam yang terdiri dari bagian luar (rangka stator) dan bagian dalam. Rangka stator terbuat dari besi tuang dan merupakan rumah dari semua bagian generator. Rangka luar stator harus tahan terhadap getaran selama mesin itu bekerja maupun terhadap stres mekanik seperti pada saat terjadi hubung singkat. Bagian dalam stator dibuat dari kumpulan laminasi lembaran baja (dengan permeabilitas yang tinggi) dan mempunyai banyak slot yang mengelilingi pinggiran dalamnya (gambar 1). Laminasi ini diisolasi satu sama lain. Jumlah slot tergantung pada ukuran mesin, jumlah kutub, dan jumlah kumparan per kutub per fasa (kumparan/kutub/fasa). Bagian dalam stator dirancang berbentuk lembaran untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar (eddy current). Kumpulan laminasi ini disatukan untuk membentuk bagian yang padu melalui baut dan disatukan dengan rangka stator melalui pengelasan ataupun dengan ikatan yang kuat (pada beberapa mesin berukuran kecil).
Kumparan jangkar diletakkan di dalam slot seperti terlihat pada gambar 2. Gambar 3 memperlihatkan rangka stator beserta seluruh kumparan jangkarnya. Kumparan jangkar pada generator sinkron 3 fasa dapat terhubung secara delta (∆) ataupun bintang (Y).
Gambar 1 Laminasi Stator Gambar 2 Beberapa Kumparan Dalam Slot
Gambar 3 Rangka Stator Beserta Kumparan Jangkarnya
Slot pada stator dapat dibagi menjadi 3 jenis, yaitu: slot terbuka (open slot), slot setengah tertutup (Semiclosed slot), dan slot tertutup (closed slot).
• Slot Terbuka
Slot terbuka diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 4 Slot Terbuka
Keuntungan slot terbuka:
o Memungkinkan pemasangan kumparan yang lebih mudah,
o Pengeluaran kumparan dari slot dalam rangka perbaikan lebih mudah dilakukan.
Kerugian slot terbuka:
o Gigi dan slot akan mengganggu keseragaman distribusi medan magnet pada permukaan stator sehingga menimbulkan harmonisa slot.
• Slot Setengah Tertutup
Slot setengah tertutup diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 5 Slot Setengah Tertutup
Keuntungan slot setengah tertutup:
o Harmonisa slot yang dihasilkan lebih kecil daripada slot terbuka
Kerugian slot setengah tertutup:
o Pemasangan dan pengeluaran kumparan lebih sulit dilakukan
• Slot Tertutup
Slot tertutup diperlihatkan pada gambar 6.
Gambar 6 Slot Tertutup
Keuntungan slot tertutup:
o Tidak menganggu distribusi medan magnet.
Kerugian slot tertutup:
o Meningkatkan induktansi kumparan.
o Sambungan kumparan menjadi lebih rumit.
o Biaya yang tinggi dikarenakan proses pemasangan kumparan yang lebih rumit.
B.2 Rotor
Rotor merupakan bagian yang ikut berputar. Kumparan medan diletakkan pada rotor. Rotor juga terdiri dari laminasi-laminasi seperti halnya stator untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Kumparan medan ini disuplai tegangan dc. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Jumlah kutub pada rotor harus sama dengan jumlah kutub pada stator. Ada dua bentuk rotor, yaitu rotor kutub sepatu (salient pole) dan rotor silinder (non-salient pole/cylindrical rotor).
Pada rotor kutub sepatu, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor dan berbentuk seperti sepatu. Lebar permukaan rotor kutub sepatu biasanya hanya mencakup 2/3 bagian dari lebar permukaan kutub stator. Kumparan pada setiap kutub dihubungkan secara seri. Untuk generator dengan putaran lambat dan berkutub banyak (≥ 4), digunakan rotor kutub sepatu karena diameternya yang besar sehingga bisa dibuat lebih banyak kutub. Pada generator dengan putaran tinggi, rotor kutub sepatu tidak cocok digunakan karena:
1. Tidak cukup kuat untuk menahan stres mekanik yang terjadi pada kecepatan yang tinggi.
2. Pada kecepatan tinggi, akan terjadi gesekan angin yang berlebihan sehingga menghasilkan kebisingan.
Jadi, rotor kutub sepatu hanya dijumpai pada putaran rendah. Selain itu, distribusi fluks magnet pada rotor kutub sepatu cenderung berbentuk persegi dan belum mendekati sinusoidal sehingga menimbulkan harmonisa.
Rotor silinder terbuat dari baja tempa padat yang mempunyai slot dan gigi di sepanjang pinggiran luarnya seperti halnya stator. Tidak seperti rotor kutub sepatu, kutub magnet pada rotor silinder tidak menonjol. Seperti halnya stator, kumparan medan pada rotor silinder diletakkan di dalam slot ini. Di sekitar daerah pusat kutub umumnya tidak mempunyai slot. Rotor silinder biasanya digunakan pada generator putaran tinggi dan berkutub sedikit (≤ 4). Rotor silinder lebih panjang daripada rotor kutub sepatu. Diameter rotor silinder tidak sebesar rotor kutub sepatu untuk mengurangi gaya sentrifugal yang muncul pada kecepatan putar yang tinggi. Rotor ini memiliki kekuatan mekanis yang tinggi dan tidak menghasilkan gesekan angin yang berlebihan sehingga sangat cocok untuk bekerja pada kecepatan tinggi. Selain itu, distribusi fluks magnet yang dihasilkan lebih mendekati sinusoidal sehingga akan menghasilkan bentuk gelombang tegangan yang lebih baik.
Gbr 7 Rotor Kutub Sepatu Pada Generator 4 Kutub Gbr 8 Rotor Silinder Pada Generator 4 Kutub
Sebagian alternator mempunyai kumparan peredam (damper winding/amortisseur winding) pada rotornya. Kumparan peredam ini berupa beberapa konduktor tembaga ataupun aluminium yang dihubung singkat pada kedua ujungnya melalui cincin tembaga/aluminium yang besar sehingga mirip dengan konduktor rotor pada motor induksi rotor sangkar. Cincin ini menggunakan bahan yang sama dengan konduktor kumparan peredam. Cincin dan konduktor ini dihubungkan dengan pengelasan. Pada rotor kutub sepatu kumparan peredam terletak di dalam slot yang berada pada permukaan rotornya, sedangkan pada rotor silinder kumparan peredam terletak di dalam slot yang sama dengan slot yang ditempati oleh kumparan medan. Kumparan peredam ini berfungsi untuk meningkatkan stabilitas generator sinkron. Pada motor sinkron, kumparan peredam ini juga berfungsi pada proses pengasutan.
Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient pole (kutub menonjol) dan non salient pole (kutub silinder).
1. Jenis Kutub Menonjol (Salient Pole)
Pada jenis salient pole, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan
rotor. Belitan-belitan medannya dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai
oleh Eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub berlawanan.
Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti pada Gambar 9
berikut :
Gambar 9. Rotor Kutub Menonjol
Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putar rendah dan sedang (120-400 rpm). Generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena:
o Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi angin yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.
o Konstruksi kutub menonjol tidak cukup kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.
2. Jenis Kutub Silinder (Non Salient Pole)
Pada jenis non salient pole, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Jenis rotor ini terbuat dari baja tempa halus yang berbentuk silinder yang mempunyai alur-alur terbuat di sisi luarnya. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur di sisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh Eksiter. Gambaran bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 10 berikut :
Gambar 10. Rotor Kutub Silinder
Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putar tinggi (1500 atau 3000 rpm) seperti yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga uap. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan putar tinggi karena :
o Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik yang baik pada kecepatan putar tinggi
o Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih baik dari kutub menonjol.
C. GGL Induksi
Kumparan medan diberi suplai tegangan dc sehingga akan mengalir arus dc. Arus dc dapat dialirkan melalui sikat ataupun tanpa sikat (brushless). Arus dc yang mengalir pada kumparan ini akan menghasilkan medan magnet yang konstan. Medan magnet ini akan melingkupi kumparan jangkar melalui celah udara. Menurut hukum Faraday:
dan karena fluks magnet dari kumparan medan ini tidak berubah terhadap waktu, maka nilai dΦ/dt di kumparan jangkar ini sama dengan nol sehingga belum timbul GGL induksi. Oleh karena itu, rotor diputar oleh penggerak mula (prime mover) sehingga medan magnet akan ikut berputar dan memotong-motong kumparan jangkar. Karena ikut berputar, maka besar fluks magnet yang melingkupi kumparan jangkar ini akan selalu berubah terhadap waktu sehingga akan menimbulkan GGL induksi pada kumparan jangkar. GGL induksi ini berupa GGL induksi bolak-balik. Apabila pada kumparan jangkar dihubungkan beban, maka akan mengalir arus ac pada kumparan jangkar. Arus ac yang mengalir pada kumparan jangkar akan menghasilkan medan magnet yang akan mendistorsi medan magnet yang dihasilkan kumparan medan. Peristiwa ini disebut reaksi jangkar.
Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan Persamaan 1 dan Persamaan 2 berikut :
dimana :
Em = ggl induksi maksimum (Volt) ; Eeff = ggl induksi efektif (Volt)
N = jumlah lilitan ; e = ggl induksi dalam keadaan transient (Volt)
C = konstanta ; f = frekuensi (hz)
n = putaran rotor (rpm)
mφ = fluks magnetik maksimum (Weber)
Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.
Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat ditarik makalah ini yaitu :
I. Generator induksi sering disebut juga alternator atau generator sinkron. Generator induksi adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik.
II. Yang membedakan antara generator 3 phasa dengan generator 1 phasa adalah hanya dalam statornya yaitu generator 3 phasa memiliki 3 kumparan sedangkan generator 1 phasa hanya memiliki 1 kumparan.
III. Generator kutub luar adalah generator yang kutub-kutub magnitnya diam (berada pada stator), sedangkan kumparan pembangkit ggl induksi berada pada rotor (berputar).
Daftar Pustaka
1. Zuhal, DASAR TEKNIK TENAGA LISTRIK DAN ELEKTRONIKA DAYA, 2000 : Jakarta, Gramedia
2. Rijono. Yon, DASAR TEKNIK TENAGA LISTRIK, 2004 : Yogyakarta, Andi
3. Marpaung. Muslimin, TEKNIK TENAGA LISTRIK, 1979 : Bandung, Armico
4. Djoekardi. Djuhana, MESIN-MESIN LISTRIK MESIN SINKRON, 1997 : Jakarta, Universitas Trisakti
Bagi yang ingin mendownload makalah saya silahkan klik Tombol dibawah ini :
Untuk File PDF
Untuk File PowerPoint
Password : acakcadut.blogspot.com
Tidak ada komentar:
Posting Komentar