Rangkuman Mesin Listrik Dasar
Nama : Muhammad Hasya Nurfaizi
Prodi : Teknik Elektro
NIM : I0719049
GENERATOR SINKRON
1 Generator Sinkron Komersial
Generator sinkron komersial dibangun dengan medan magnet dc
stasioner atau berputar. Generator sinkron medan stasioner memiliki tampilan
luar yang sama dengan generator DC. Kutub yang menonjol menciptakan medan dc,
yang dipotong oleh dinamo berputar. Angker memiliki belitan 3-fase yang
terminal-terminalnya terhubung ke tiga cincin-slip yang dipasang pada poros.
Satu set sikat, yang digeser pada slip-ring, memungkinkan angker dihubungkan ke
beban 3-fase eksternal. Angker digerakkan oleh mesin bensin, atau sumber tenaga
penggerak lainnya. Saat berputar, tegangan 3-fase diinduksi, yang nilainya
tergantung pada kecepatan rotasi dan arus menarik dc di kutub stasioner.
Frekuensi tegangan bergantung pada kecepatan dan jumlah kutub di lapangan.
Generator bidang stasioner digunakan jika daya yang dikeluarkan kurang dari 5
kVA. Namun, untuk keluaran yang lebih besar, akan lebih murah, lebih aman, dan
lebih praktis untuk menggunakan medan dc yang berputar. Generator sinkron medan
putar memiliki dinamo stasioner yang disebut stator.
Belitan stator 3-fase terhubung langsung ke beban, tanpa melalui
cincin dan sikat besar yang tidak dapat diandalkan. Stator diam juga memudahkan
isolasi belitan karena tidak terkena gaya sentrifugal. Gambar 1 adalah diagram
skema generator semacam itu, kadang-kadang disebut alternator. Medan dieksitasi
oleh generator DC, biasanya dipasang pada poros yang sama. Perhatikan bahwa sikat
pada komutator harus dihubungkan ke satu set sikat lain yang mengendarai
slip-ring untuk memberi makan arus dc Ix ke dalam bidang berputar.
2 Jumlah Kutub
Jumlah kutub pada generator sinkron bergantung pada kecepatan
putaran dan frekuensi yang ingin dihasilkan. Perhatikan, misalnya, konduktor
stator yang secara berturut-turut disapu oleh N dan S kutub rotor. Jika
tegangan positif diinduksi ketika kutub N menyapu konduktor, tegangan negatif
yang sama diinduksi ketika kutub S melaju. Jadi, setiap kali sepasang kutub
lengkap melintasi konduktor, tegangan yang diinduksi melewati siklus lengkap.
Hal yang sama berlaku untuk setiap konduktor lain di stator; Oleh karena itu
kita dapat menyimpulkan bahwa frekuensi alternator diberikan oleh:
Dimana:
f = frekuensi tegangan yang diinduksi [Hz]
p = banyaknya kutub pada rotor
n = kecepatan rotor [r / menit]
3 Fitur Utama Stator
Dari sudut pandang kelistrikan, stator generator sinkron identik
dengan motor induksi 3 fase. Ini terdiri dari inti berlapis silinder yang
berisi satu set slot yang membawa putaran putaran 3-fase (Gbr. 2, 3). Belitan
selalu terhubung dalam wye dan netral terhubung ke ground. Sambungan wye lebih
disukai daripada sambungan delta karena
1. Tegangan
per fasa hanya 1 / √3 atau 58% dari tegangan antar saluran. Artinya tegangan
tertinggi antara konduktor stator dan inti stator yang diarde hanya 58% dari
tegangan saluran. Oleh karena itu, kami dapat mengurangi jumlah isolasi di slot
yang, pada gilirannya, memungkinkan kami untuk meningkatkan penampang
konduktor. Konduktor yang lebih besar memungkinkan kita untuk meningkatkan arus
dan, karenanya, menghasilkan daya mesin.
2. Ketika
generator sinkron sedang dibebani, tegangan yang diinduksi di setiap fasa
menjadi terdistorsi, dan bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal. Distorsi ini
terutama disebabkan oleh tegangan harmonik ketiga yang tidak diinginkan yang
frekuensinya tiga kali lipat dari frekuensi undamental. Dengan koneksi wye,
distorsi harmonik garis ke netral tidak muncul di antara garis karena mereka
secara efektif membatalkan satu sama lain. Akibatnya, tegangan saluran tetap
sinusoidal dalam semua kondisi beban. Sayangnya, ketika koneksi delta
digunakan, tegangan harmonik tidak membatalkan, tetapi bertambah. Karena delta
menutup dengan sendirinya, mereka menghasilkan arus sirkulasi harmonik ketiga,
yang meningkatkan kerugian I 2R.
Tegangan saluran nominal generator sinkron tergantung pada
peringkat kVA-nya. Secara umum, semakin besar peringkat daya, semakin tinggi
voltase. Namun, tegangan line-to-line nominal jarang melebihi 25 kV karena insulasi
slot yang meningkat memakan ruang yang berharga dengan mengorbankan konduktor
tembaga.
4 Fitur Utama
Rotor
Generator sinkron dibuat dengan dua jenis rotor: rotor
kutub-menonjol dan rotor silinder yang halus. Rotor kutub menonjol biasanya digerakkan
oleh turbin hidrolik kecepatan rendah, dan rotor silinder digerakkan oleh
turbin uap berkecepatan tinggi.
1. Rotor
kutub yang menonjol. Kebanyakan turbin hidrolik harus berputar dengan kecepatan
rendah (antara 50 dan 300 putaran / menit) untuk mendapatkan tenaga maksimum
dari air terjun. Karena rotor terhubung langsung ke kincir air, dan karena
frekuensi 50 Hz atau 60 Hz diperlukan, sejumlah besar kutub diperlukan pada
rotor. Rotor berkecepatan rendah selalu memiliki diameter besar untuk
menyediakan ruang yang diperlukanuntuk kutub. Tiang menonjol dipasang pada
kerangka baja melingkar besar yang dipasang pada poros vertikal berputar (Gbr.
4). Untuk memastikan pendinginan yang baik, kumparan medan terbuat dari batang
tembaga terbuka, dengan berubah diisolasi satu sama lain oleh strip mika (Gbr.
5). Kumparan dihubungkan secara seri, dengan kutub yang berdekatan memiliki
polaritas yang berlawanan. Selain belitan medan DC, kita sering menambahkan
belitan squirrelcage, tertanam di kutub (Gbr. 6). Dalam kondisi normal, belitan
ini tidak membawa arus apapun karena rotor berputar pada kecepatan sinkron.
Namun, ketika beban pada generator berubah secara tiba-tiba, kecepatan rotor
mulai berfluktuasi, menghasilkan variasi kecepatan sesaat di atas dan di bawah
kecepatan sinkron. Ini menyebabkan tegangan di sangkar-tupai berliku,
menyebabkan arus besar mengalir di dalamnya. Arus bereaksi dengan medan magnet
stator, menghasilkan gaya yang meredam osilasi rotor. Oleh karena itu, belitan
kandang tupai kadang-kadang disebut belitan damper.
2. Rotor silinder. Telah diketahui bahwa turbin uap kecepatan tinggi lebih kecil dan lebih efisien daripada turbin kecepatan rendah. Hal yang sama berlaku untuk generator sinkron berkecepatan tinggi. Namun, untuk menghasilkan frekuensi yang diperlukan, kami tidak dapat menggunakan kurang dari 2 kutub, dan ini memperbaiki kecepatan setinggi mungkin. Pada sistem 60 Hz adalah 3600 putaran / menit. Kecepatan rendah berikutnya adalah 1800 putaran / menit, sesuai dengan mesin 4 kutub. Akibatnya, generator turbin uap ini memiliki 2 atau 4 kutub. Rotor generator turbin adalah silinder baja padat panjang yang berisi serangkaian slot longitudinal yang digiling dari massa silinder (Gbr. 7). Kumparan medan konsentris, terjepit dengan kuat ke dalam slot dan dipertahankan oleh cincin ujung berkekuatan tinggi, berfungsi untuk membuat kutub N dan S. Kecepatan putaran yang tinggi menghasilkan gaya sentrifugal yang kuat, yang membebankan batas atas pada diameter rotor. Jika rotor berputar pada 3600 putaran / menit, batas elastis baja mengharuskan pabrikan untuk membatasi diameter hingga maksimum 1,2 m. Di sisi lain, untuk membangun generator berkekuatan 1000 MVA hingga 1500 MVA, volume rotor harus besar. Oleh karena itu, rotor berkecepatan tinggi dan berdaya tinggi harus sangat panjang.
5 Medan
Eksitasi Dan Eksitor
6 Brushless Excitation
Karena keausan
sikat dan debu karbon, kami terus-menerus harus membersihkan, memperbaiki, dan
mengganti sikat, cincin selip, dan komutator pada sistem eksitasi DC
konvensional. Untuk mengatasi masalah tersebut, sistem eksitasi tanpa sikat
telah dikembangkan. Sistem semacam itu terdiri dari generator medan stasioner 3
fase yang keluaran acnya diperbaiki oleh sekelompok penyearah. Output dc dari
penyearah diumpankan langsung ke bidang generator sinkron (Gbr. 8). Angker dari
exciter ac dan penyearah dipasang pada poros utama dan berputar bersama dengan
generator sinkron. Dalam membandingkan sistem eksitasi pada Gbr. 8 dengan Gbr.
1, kita dapat melihat bahwa keduanya identik, kecuali bahwa penyearah 3 fasa
menggantikan komutator, cincin geser, dan sikat. Dengan kata lain, komutator
(yang sebenarnya merupakan penyearah mekanis) diganti dengan penyearah
elektronik. Hasilnya adalah sikat dan slip-ring tidak lagi dibutuhkan. Arus
kontrol dc Ic dari exciter pilot mengatur keluaran exciter utama Ix, seperti
dalam kasus exciter dc konvensional. Frekuensi pembangkit utama umumnya dua
sampai tiga kali frekuensi generator sinkron (60 Hz). Peningkatan frekuensi
diperoleh dengan menggunakan lebih banyak kutub pada eksiter dibandingkan pada
generator sinkron. Eksitasi statis yang tidak melibatkan bagian yang berputar
sama sekali juga digunakan.
7 Faktor Yang Mempengaruhi Ukuran Generator Sinkron
Jumlah energi
yang luar biasa yang dihasilkan oleh perusahaan utilitas listrik telah membuat
mereka sangat sadar akan efisiensi generator mereka. Misalnya, jika efisiensi
stasiun pembangkit 1.000 MW meningkat hanya 1%, itu mewakili pendapatan tambahan
beberapa ribu dolar per hari. Dalam hal ini, ukuran generator sangat penting
karena efisiensinya secara otomatis meningkat dengan meningkatnya daya.
Misalnya, jika generator sinkron 1 kilowatt kecil memiliki efisiensi 50%, model
yang lebih besar tetapi serupa yang memiliki kapasitas 10 MW pasti memiliki
efisiensi sekitar 90%.
Peningkatan
efisiensi dengan ukuran inilah yang menjadi alasan mengapa generator sinkron
1000 MW ke atas memiliki efisiensi hingga 99%. Keuntungan lain dari mesin besar
adalah output daya per kilogram meningkat seiring dengan peningkatan daya.
Misalnya, jika generator 1 kW memiliki berat 20 kg (menghasilkan 1000 W / 20 kg
= 50 W / kg), generator 10 MW dengan konstruksi serupa hanya akan
berbobot 20.000 kg, sehingga menghasilkan 500 W / kg. Dari sudut pandang daya,
mesin besar memiliki bobot yang relatif lebih kecil daripada mesin kecil;
akibatnya, mereka lebih murah. Bagian 24 di akhir bab ini menjelaskan mengapa
efisiensi dan output per kilogram meningkat seiring dengan ukuran Namun, saat
ukurannya membesar, kami mengalami masalah pendinginan yang serius.
Akibatnya, mesin
besar secara inheren menghasilkan rugi daya yang tinggi per unit permukaan luas
(W / m2); akibatnya, mereka cenderung kepanasan. Untuk mencegah kenaikan suhu
yang tidak dapat diterima, kita harus merancang sistem pendingin yang efisien
yang menjadi semakin rumit dengan meningkatnya daya. Misalnya, sistem sirkulasi
udara dingin cukup untuk mendinginkan generator sinkron yang ratingnya di bawah
50 MW, tetapi antara 50 MW dan 300 MW, kita harus menggunakan pendinginan
hidrogen. Generator yang sangat besar dalam kisaran 1000 MW harus dilengkapi
dengan konduktor berongga dan berpendingin air. Pada akhirnya, suatu titik
tercapai di mana peningkatan biaya pendinginan melebihi penghematan yang
dilakukan di tempat lain, dan ini menetapkan batas atas ukuran. Singkatnya,
evolusi alternator besar terutama ditentukan oleh evolusi teknik pendinginan
yang canggih (Gbr. 10 dan 11). Terobosan teknologi lainnya, seperti bahan yang
lebih baik dan belitan baru, juga memainkan peran utama dalam memodifikasi
desain mesin awal (Gbr. 12).
Berkenaan dengan kecepatan, generator
berkecepatan rendah selalu lebih besar daripada mesin berkecepatan tinggi
dengan daya yang sama. Ukuran kecepatan lambat menyederhanakan masalah
pendinginan; sistem pendingin udara yang baik, dilengkapi dengan penukar panas,
biasanya sudah cukup. Misalnya, generator sinkron berkecepatan tinggi 500 MVA,
200 putaran / menit yang dipasang di pembangkit listrik tenaga air biasanya
berpendingin udara sedangkan unit berkecepatan tinggi 500 MVA, 1800 putaran /
menit yang jauh lebih kecil yang dipasang di pembangkit listrik tenaga uap
harus didinginkan dengan hidrogen.
8 Kurva Saturasi Tanpa Beban
Mari kita secara
bertahap meningkatkan arus menarik sambil mengamati tegangan ac Eo antara
terminal A, katakanlah, dan N netral. Untuk nilai Ix yang kecil, tegangan
meningkat secara proporsional dengan arus menarik. Namun, saat setrika mulai
jenuh, tegangan naik jauh lebih sedikit untuk peningkatan Ix yang sama. Jika
kita memplot kurva Eo versus Ix, kita mendapatkan kurva saturasi tanpa beban
dari generator sinkron. Ini mirip dengan generator DC. Gbr. 13b menunjukkan
kurva saturasi tanpa beban aktual dari generator 3-fase 36 MW yang memiliki
tegangan nominal 12 kV (saluran ke netral). Hingga sekitar 9 kV, tegangan
meningkat sebanding dengan arus, tetapi kemudian setrika mulai jenuh. Jadi,
arus eksitasi 100 A menghasilkan keluaran 12 kV, tetapi jika arus digandakan,
tegangan hanya naik menjadi 15 kV.
9 Rangkaian Ekivalen Reaktansi Sinkron Generator AC
Medan membawa
arus yang menghasilkan fluks
Dimana:
Xs = Reaktansi sinkron, per fase [Ω]
f = frekuensi
generator [Hz]
L = induktansi semu belitan
stator, per fase [H]
Reaktansi
sinkron generator adalah impedansi internal, seperti resistansi internalnya R.
Impedansnya ada, tetapi tidak dapat dilihat atau disentuh. Nilai X biasanya 10
sampai 100 kali lebih besar dari R; akibatnya, kita selalu dapat mengabaikan
resistansi, kecuali kita tertarik pada efisiensi atau efek pemanasan. Kita
dapat menyederhanakan diagram skema dari Gambar 16 dengan hanya menunjukkan
satu fasa stator. Akibatnya, dua fasa lainnya identik, kecuali tegangan (dan
arus) masing-masing berada di luar fasa sebesar 120 °. Selanjutnya, jika kita
mengabaikan resistansi belitan, kita mendapatkan rangkaian yang sangat
sederhana dari Gambar. 17. Oleh karena itu, generator sinkron dapat diwakili
oleh rangkaian ekivalen yang terdiri dari tegangan induksi Eo secara seri
dengan reaktansi Xs. Dalam rangkaian ini arus eksitasi Ix menghasilkan fluks ꝸ yang menginduksi tegangan internal Eo. Untuk reaktansi sinkron
tertentu, tegangan E di terminal generator bergantung pada Eo dan beban Z.
Perhatikan bahwa Eo dan E adalah tegangan saluran-ke-netral dan I adalah arus
saluran.
10 Menentuan Nilai dari Xs
Dimana:
Xs = Reaktansi
sinkron, per fase [Ω]
En = nilai tegangan
saluran-ke-netral sirkuit terbuka [V]
11 Impedansi Dasar, Per Unit Xs
Kami ingat bahwa
saat menggunakan sistem per unit, pertama-tama kami memilih tegangan dasar dan
daya dasar. Dalam kasus generator sinkron, kami menggunakan tegangan
saluran-ke-netral pengenal sebagai tegangan dasar EB dan daya pengenal per fase
sebagai daya dasar. Oleh karena itu, impedansi basis ZB diberikan oleh
ZB = impedansi
dasar (saluran ke netral) dari generator [Ω]
EB = tegangan dasar
(saluran-ke-netral) [V]
SB = daya dasar per
fase [VA]
Contoh 3:
Generator ac A30 MVA, 15 kV, 60 Hz memiliki reaktansi sinkron 1,2
pu dan resistansi 0,02 pu.
Hitunglah:
a. Tegangan basis, daya basis dan impedansi basis generator
b. Nilai sebenarnya dari reaktansi sinkron
c. Hambatan belitan aktual, per fase
d. Total kerugian tembaga beban penuh
Jawab:
a. Tegangan basis:
Daya basis:
Impedansi basis:
b. Reaktansi sinkron:
c. Resistansi per fase:
d. Kerugian tembaga:
Alih-alih menyatakan reaktansi sinkron
sebagai nilai per unit ZB, rasio hubung singkat terkadang digunakan.
Ini adalah rasio arus medan Ix1 yang diperlukan untuk menghasilkan tegangan
jangkar sirkuit terbuka pengenal EB ke arus medan Ix2 yang
diperlukan untuk menghasilkan arus pengenal IB, pada hubung singkat
berkelanjutan. Rasio hubung singkat (Ix1 / Ix2) persis sama dengan kebalikan
dari nilai per unit Xs seperti yang didefinisikan dalam Persamaan. 2. Jadi,
jika nilai per unit Xs adalah 1.2, rasio hubung singkatnya adalah 1 / 1.2 atau
0.833.
13 Synchronous Generator
Under Load
Perilaku generator sinkron bergantung pada
jenis beban yang harus disuplai. Ada banyak jenis muatan, tetapi semuanya dapat
dikurangi menjadi dua kategori dasar:
1. Beban
terisolasi, disuplai oleh generator tunggal
2. Bus tak
terbatas
Kami memulai studi kami dengan beban
terisolasi, meninggalkan diskusi tentang bus tak terbatas ke Bagian 1
Pertimbangkan generator 3-fase yang memasok daya ke beban yang memiliki faktor
daya tertinggal. Gambar 19 mewakili sirkuit ekivalen untuk satu fase. Untuk
membuat diagram fasor sirkuit ini, kami mencantumkan fakta-fakta berikut:
1. Arus I
tertinggal di belakang tegangan terminal E dengan sudut
2. cosinus = Faktor daya dari beban
3. Tegangan Ex melintasi reaktansi sinkron menyebabkan arus I
sebesar 90 °. Ini diberikan oleh ekspresi Ex = jIXs.
4. Tegangan Eo
yang dihasilkan oleh fluks
5. Baik Eo dan Ex adalah tegangan yang ada di dalam belitan
generator sinkron dan tidak dapat diukur secara langsung.
6. Fluks
14 Kurva Regulasi
Ketika generator sinkron tunggal memberi beban variabel, kami
tertarik untuk mengetahui bagaimana tegangan terminal E berubah sebagai fungsi
dari arus beban I.Hubungan antara E dan I disebut kurva regulasi. Kurva regulasi
diplot dengan eksitasi medan tetap dan untuk faktor daya beban yang diberikan.
Gbr. 23 menunjukkan kurva regulasi untuk 36 MVA, 21 kV, generator
3-fasa yang dibahas dalam Contoh 4. Mereka diberikan untuk beban yang
masing-masing memiliki faktor daya kesatuan, faktor daya 0,9 tertinggal, dan
faktor daya terkemuka 0,9. Kurva ini diturunkan menggunakan metode Contoh 4,
kecuali bahwa Eo dipertahankan tetap, bukan E. Dalam masing-masing
dari tiga kasus, nilai Eo ditetapkan sehingga titik awal untuk semua kurva
adalah jalur pengenal ke tegangan terminal netral (12 kV) pada arus jalur
pengenal (1000 SEBUAH). Perubahan tegangan antara tanpa beban dan beban penuh
dinyatakan sebagai persen dari tegangan terminal pengenal. Regulasi persen
diberikan oleh persamaan:
Dimana:
ENL = no-load
voltage [V]
EB = rated voltage
[V]
Contoh 5
Hitung regulasi
persen yang sesuai dengan kurva faktor daya persatuan di Gbr. 23.
Solusi:
Garis pengenal
ke tegangan netral pada beban penuh adalah:
EB = 12 kV
Tegangan
terminal tanpa beban adalah
ENL = 15 kV
Peraturan
persennya adalah:
Kami mencatat bahwa regulasi persen generator sinkron jauh lebih
besar daripada regulasi generator DC. Alasannya adalah impedansi tinggi dari
reaktansi sinkron.
15 Sinkronisasi
Generator
Kami sering harus menghubungkan dua atau lebih generator secara
paralel untuk memasok beban bersama. Misalnya, saat kebutuhan daya dari sistem
utilitas besar bertambah pada siang hari, generator secara berturut-turut
disambungkan ke sistem untuk memberikan daya ekstra. Kemudian, ketika
permintaan daya turun, generator yang dipilih akan diputus untuk sementara dari
sistem hingga daya kembali menyala keesokan harinya. Oleh karena itu, generator
sinkron secara teratur dihubungkan dan diputus dari jaringan listrik yang besar
sebagai tanggapan atas permintaan pelanggan. Jaringan seperti itu dikatakan
sebagai bus tak terbatas karena berisi begitu banyak generator yang pada
dasarnya terhubung secara paralel sehingga baik tegangan maupun frekuensi
jaringan tidak dapat diubah.
Sebelum menghubungkan generator ke bus tak terbatas (atau secara
paralel dengan generator lain), itu harus disinkronkan. Generator dikatakan
disinkronkan jika memenuhi semua kondisi berikut:
1. Frekuensi
generator sama dengan frekuensi sistem.
2. Tegangan
generator sama dengan tegangan sistem.
3. Tegangan
generator sefase dengan tegangan sistem.
4. Urutan fase
generator sama dengan yang ada di sistem.
Untuk
menyinkronkan alternator, kami melanjutkan sebagai berikut:
1. Sesuaikan
pengatur kecepatan turbin sehingga frekuensi generator mendekati frekuensi
sistem.
2. Sesuaikan
eksitasi sehingga tegangan generator Eo sama dengan tegangan sistem E.
3. Amati sudut fasa antara Eo dan E
4. Pemutus sirkuit saluran ditutup, menghubungkan generator ke
sistem.
16 Generator Sinkron Pada Bus Tak Terbatas
Kami jarang harus menghubungkan hanya dua generator secara paralel
kecuali di lokasi yang terisolasi (Gbr. 25). Seperti yang disebutkan
sebelumnya, jauh lebih umum untuk menghubungkan generator ke sistem tenaga
besar (bus tak terbatas) yang sudah memiliki banyak alternator yang terhubung
dengannya. Bus tak terbatas adalah sistem yang sangat kuat sehingga menerapkan
voltase dan frekuensinya sendiri pada peralatan apa pun yang terhubung ke terminalnya.
Setelah terhubung ke sistem besar (bus tak terbatas), generator sinkron menjadi
bagian dari jaringan yang terdiri dari ratusan generator lain yang menyalurkan
daya hingga ribuan beban. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk menentukan sifat
beban (besar atau kecil, resistif atau kapasitif) yang terhubung ke terminal
generator khusus ini. Untuk menentukan daya yang diberikan mesin kita harus
ingat bahwa nilai dan frekuensi tegangan terminal pada generator adalah tetap.
Akibatnya, kami hanya dapat memvariasikan dua parameter mesin:
1. Arus Ix yang menarik
2. Torsi mekanis yang diberikan oleh turbin
Mari kita lihat bagaimana perubahan parameter ini memengaruhi
kinerja mesin.
17 Bus Tak Terbatas — Efek Memvariasikan Arus Yang Mengasyikkan
Segera setelah kita menyinkronkan generator dan menghubungkannya ke
bus tak terbatas, tegangan induksi Eo sama dengan, dan sefase dengan, tegangan
terminal E dari sistem (Gbr. 26a). Tidak ada perbedaan potensial melintasi
reaktansi sinkron dan, akibatnya, arus beban I adalah nol. Meskipun generator
terhubung ke sistem, generator tidak mengalirkan daya; dikatakan mengapung di
telepon. Jika sekarang kita meningkatkan arus menarik, maka tegangan Eo akan
meningkat dan reaktansi sinkron Xs akan mengalami perbedaan potensial Ex yang
diberikan oleh:
Oleh karena itu, arus I akan bersirkulasi di sirkuit yang diberikan
oleh:
Karena reaktansi sinkron bersifat induktif, arus tertinggal 90 ° di
belakang Ex (Gbr. 26b). Oleh karena itu, arus berada 90 ° di belakang E, yang
berarti generator melihat sistem seolah-olah itu adalah reaktansi induktif.
Akibatnya, ketika kita terlalu menggairahkan generator sinkron, itu memasok
daya reaktif ke bus tak terbatas. Daya reaktif meningkat saat kita menaikkan
arus eksitasi dc. Berlawanan dengan perkiraan kita, tidak mungkin membuat
generator menghasilkan daya aktif dengan meningkatkan eksitasinya.
Sekarang mari kita kurangi arus menarik sehingga Eo menjadi lebih
kecil dari E. Akibatnya, fasor Ex = Eo - E menjadi
negatif dan oleh karena itu mengarah ke kiri (Gbr. 26c). Seperti biasa, arus I = Ex / Xs tertinggal 90 ° di belakang Ex. Namun, ini menempatkan I 90 ° di depan E, yang berarti alternator
melihat sistem seolah-olah itu adalah kapasitor. Akibatnya, ketika kita kurang
bersemangat sebuah alternator, itu menarik daya reaktif dari sistem. Daya
reaktif ini menghasilkan sebagian medan magnet yang dibutuhkan oleh mesin;
sisanya dipasok oleh Ix arus yang menarik
18 Efek Bus Tak
Terbatas Dari Memvariasikan Torsi Mekanis
Mari kita kembali ke situasi dengan generator sinkron mengambang di
garis, Eo dan E sama dan dalam fase. Jika kita membuka katup uap dari turbin
yang menggerakkan generator, akibat langsungnya adalah peningkatan torsi
mekanis (Gbr. 27a). Rotor akan berakselerasi dan, akibatnya, Eo akan mencapai
nilai maksimumnya sedikit lebih cepat dari sebelumnya. Fasor Eo akan
tergelincir di depan fasor E, memimpinnya dengan sudut fasa ꝸ. Meskipun kedua tegangan memiliki nilai yang sama, namun sudut
fasa menghasilkan perbedaan potensial Ex = Eo - E melintasi reaktansi sinkron
(Gbr. 27b).
19 Interpretasi
Fisik Dari Perilaku Alternator
Diagram fasor dari Gambar 27b menunjukkan bahwa ketika sudut fasa
antara Eo dan E meningkat, nilai Ex meningkat dan, karenanya, nilai I
meningkat. Tetapi arus yang lebih besar berarti daya aktif yang dialirkan oleh
generator juga meningkat. Untuk memahami arti fisik dari diagram, mari kita
periksa arus, fluks, dan posisi kutub di dalam mesin. Setiap kali arus 3-fase
mengalir di stator generator, mereka menghasilkan medan magnet berputar yang
identik dengan yang ada di motor induksi. Dalam generator sinkron, bidang ini
berputar dengan kecepatan dan arah yang sama dengan rotor. Lebih jauh, ia
memiliki jumlah kutub yang sama. Oleh karena itu, masing-masing bidang yang
dihasilkan oleh rotor dan stator tidak bergerak satu sama lain. Bergantung pada
posisi relatif kutub stator di satu sisi dan kutub rotor di sisi lain, gaya
tarikan dan tolakan yang kuat dapat diatur di antara keduanya. Ketika generator
mengapung pada saluran, arus stator I adalah nol sehingga tidak ada gaya yang
dikembangkan. Satu-satunya perubahan adalah itu dibuat oleh rotor, dan itu
menginduksi tegangan Eo (Gbr. 28a).
Jika torsi mekanis diterapkan ke generator (dengan memasukkan lebih
banyak uap ke turbin), rotor akan berakselerasi dan secara bertahap bergerak
maju dengan sudut mekanis 
, dibandingkan
dengan posisi aslinya (Gbr. 28b). Arus stator segera mulai mengalir, karena
sudut fasa listrik ꝸ antara
tegangan induksi Eo dan tegangan terminal E. Arus stator membuat medan putar
dan sekumpulan kutub N dan S. yang sesuai. Gaya tarik dan tolakan dikembangkan
antara kutub stator dan kutub rotor, dan gaya magnet ini menghasilkan torsi
yang berlawanan dengan torsi mekanis yang diberikan oleh turbin. Jika torsi
elektromagnetik sama dengan torsi mekanis, sudut mekanis tidak lagi bertambah
tetapi tetap pada nilai konstan .
Ada hubungan langsung antara sudut mekanis dan sudut torsi ꝸ, diberikan oleh:
Dimana:
ꝸ = sudut torsi antara tegangan
terminal E dan tegangan eksitasi Eo [derajat kelistrikan]
p = banyaknya kutub pada generator
a = sudut mekanis antara pusat stator dan kutub
rotor [derajat mekanis]
Contoh 6 :
Kutub rotor
dari generator sinkron 8 kutub bergeser 10 derajat mekanis dari tanpa beban ke
beban penuh.
a. Hitung sudut torsi antara
Eo dan tegangan terminal E pada beban penuh.
b. Tegangan mana, E atau Eo, yang memimpin?
Jawab:
a. Sudut Torsi:
b.
Ketika
generator memberikan daya aktif, Eo selalu memimpin E.
20 Daya Aktif
Yang Dialirkan Oleh Generator
Dimana:
P = daya aktif, per fase [W]
Eo = Tegangan induksi, per fase [V]
E = tegangan terminal, per fase [V]
Xs = Reaktansi sinkron per fase [Ω]
ꝸ = sudut torsi antara Eo dan E [°]
Contoh 7:
Generator
3-fase 36 MVA, 21 kV, 1800 r / mnt, yang terhubung ke jaringan listrik memiliki
reaktansi sinkron 9 Ω per fase. Jika
tegangan eksitasi 12 kV (saluran-ke-netral), dan tegangan sistem adalah 17,3 kV
(saluran-ke-saluran), hitung hal berikut:
a. Daya aktif yang dihasilkan mesin saat sudut
torsi ꝸ adalah 30 ° (listrik)
b. Daya puncak yang dapat diberikan generator sebelum jatuh dari
langkah (kehilangan sinkronisasi)
Jawab:
a. Daya:
Total power dari ketiga fasa:
b.
Power
maksimum saat 90 derajat:
Output daya
puncak alternator:
21 Kontrol Daya
Aktif
Ketika
generator sinkron disambungkan ke sistem, kecepatannya dijaga agar tetap
konstan oleh pengatur yang sangat sensitif. Perangkat ini dapat mendeteksi
perubahan kecepatan sekecil 0,01%. Sistem kendali otomatis yang sensitif
terhadap perubahan kecepatan sekecil itu segera memodifikasi bukaan katup (atau
gerbang) turbin untuk mempertahankan kecepatan konstan dan keluaran daya yang
konstan. Pada jaringan utilitas besar, daya yang dialirkan oleh masing-masing
generator bergantung pada program yang dibuat terlebih dahulu antara berbagai stasiun
pembangkit.
Operator
stasiun berkomunikasi satu sama lain untuk memodifikasi daya yang dialirkan
oleh setiap stasiun sehingga pembangkitan dan transmisi energi dilakukan
seefisien mungkin. Dalam sistem yang lebih rumit, seluruh jaringan berada di bawah
kendali komputer. Selain itu, detektor kecepatan berlebih individu selalu siap
untuk merespons perubahan kecepatan yang besar, terutama jika generator, karena
satu dan lain hal, tiba-tiba terputus dari sistem. Karena katup uap masih
terbuka lebar, generator akan berakselerasi dengan cepat dan dapat mencapai
kecepatan 50 persen di atas normal dalam 4 sampai 5 detik. Gaya sentrifugal
pada kecepatan sinkron sudah mendekati batas yang dapat ditahan material,
sehingga kecepatan berlebih dapat dengan cepat menciptakan situasi yang sangat
berbahaya. Akibatnya, katup uap harus segera ditutup selama keadaan darurat
tersebut. Pada saat yang sama, peningkatan tekanan dalam ketel uap harus
dikurangi dan pembakar bahan bakar harus dimatikan.
22 Reaktansi Transien
Generator sinkron yang terhubung ke sistem dapat mengalami
perubahan beban tak terduga yang terkadang terjadi dengan sangat cepat. Dalam
kasus seperti itu, rangkaian ekivalen sederhana yang ditunjukkan pada Gambar.
17 tidak mencerminkan perilaku mesin. Sirkuit ini hanya berlaku pada kondisi
steady-state atau saat beban berubah secara bertahap. Untuk perubahan arus
beban mendadak, reaktansi sinkron Xs harus diganti dengan reaktansi lain X
'yang nilainya bervariasi sebagai fungsi waktu. Gbr. 30 menunjukkan bagaimana X
′ bervariasi ketika generator tiba-tiba korsleting. Sebelum terjadi hubung
singkat, reaktansi sinkron hanyalah Xs. Namun, pada saat hubung singkat,
reaktansi segera turun ke nilai X'd yang jauh lebih rendah. Kemudian meningkat secara
bertahap sampai kembali sama dengan Xs setelah interval waktu T. Durasi
interval tergantung pada ukuran generator. Untuk mesin di bawah 100 kVA hanya
berlangsung sepersekian detik, tetapi untuk mesin dalam kisaran 1000 MVA dapat
bertahan selama 10 detik.
Reaktansi X'd disebut reaktansi transien dari alternator. Ini
mungkin serendah 15 persen dari reaktansi sinkron. Akibatnya, arus
hubung-pendek awal jauh lebih tinggi daripada yang sesuai dengan reaktansi
sinkron Xs.
Ini memiliki pengaruh langsung pada kapasitas pemutus sirkuit pada
output generator. Akibatnya, karena mereka harus memutus arus pendek dalam tiga
sampai enam siklus, maka mereka harus memutus arus yang sangat tinggi. Di sisi
lain, reaktansi transien rendah menyederhanakan masalah pengaturan tegangan
ketika beban pada generator meningkat dengan cepat. Pertama penurunan tegangan
internal karena X'd lebih kecil dari itu akan menjadi jika reaktansi sinkron Xs
bertindak. Kedua, X 'tetap berada pada nilai yang jauh di bawah X untuk waktu
yang cukup lama untuk meningkatkan Ix arus yang menarik dengan cepat.
Meningkatkan eksitasi meningkatkan Eo, yang membantu menstabilkan tegangan
terminal.
Contoh 8:
Generator
turbin uap 250 MVA, 25 kV, 3-fase memiliki reaktansi sinkron 1,6 pu dan
reaktansi transien X'd 0,23 pu. Ini memberikan output terukurnya pada faktor
daya 100%. Korsleting tiba-tiba terjadi di saluran, dekat dengan stasiun
pembangkit.
Hitunglah:
a. Tegangan induksi Eo sebelum korsleting
b. Nilai awal
arus hubung singkat
c. Nilai akhir
arus hubung singkat jika pemutus arus gagal membuka
Jawab:
a.
Impedansi awal:
Reaktansi sinkron:
Tegangan saluran-ke-netral pengenal
per fase adalah:
Nilai arus beban per fase adalah:
Nilai voltage drop Ex:
Arus sefase dengan E karena faktor daya beban adalah satu. Jadi, mengacu pada diagram fasor (Gbr. 31), Eo adalah:
b.
Reaktansi
Transien:
Arus saat short-circuit:
c.
Steady
state:
23 Transfer Daya Antara Dua Sumber
Sirkuit Gambar
33a sangat penting karena ditemukan dalam studi generator, motor sinkron, dan
jalur transmisi. Dalam rangkaian seperti itu kita sering tertarik pada daya
aktif yang ditransmisikan dari sumber A ke sumber B atau sebaliknya. Besarnya
tegangan E1 dan E2, serta sudut fasa di antara keduanya, cukup berubah-ubah.
Menerapkan hukum tegangan Kirchhoff ke sirkuit ini, kami mendapatkan
persamaannya:
Jika kita
mengasumsikan bahwa I tertinggal di belakang E2 dengan sudut sembarang θ dan E1
memimpin E2 dengan sudut ꝸ, kita
mendapatkan diagram fasor yang ditunjukkan (Gbr. 33b). Phasor IX memimpin I
sejauh 90 °. Daya aktif yang diserap oleh B adalah:
Dimana:
P = daya aktif ditransmisikan [W]
E1 = tegangan dari sumber 1 [V]
E2 = tegangan dari sumber 2 [V]
X = Reaktansi yang menghubungkan sumber [Ω]
ꝸ = sudut fase antara E1 dan E2 [°]
Contoh 9:
Mengacu pada Gambar 33a, sumber A menghasilkan tegangan E1 = 20 kV ∠ 5 ° dan sumber B
menghasilkan tegangan E2 = 15 kV ∠ 42 °. Saluran transmisi yang menghubungkannya memiliki reaktansi
induktif 14 Ω.
Hitung daya aktif yang mengalir di atas garis dan tentukan sumber
mana yang sebenarnya merupakan beban.
Solusi:
Sudut fase antara kedua sumber adalah 42 ° - 5 ° = 37 °. Tegangan
sumber B mengarah ke sumber A karena sudut fasa lebih positif. Akibatnya, daya
mengalir dari B ke A dan begitu juga A sebenarnya beban. Daya aktif :
24 Efisiensi,
Daya, Dan Ukuran Mesin Listrik
power output 1
kW
rated voltage 120
V, 3-phase
rated current 4.8
A
rated speed 1800
r/min
efficiency 73%
input torque 7.27
Nm
moment of
inertia 0.0075 kg.m2
external
diameter 0.180 m
external length
0.15 m
mass 20 kg
power
output/mass 50 W/kg
didapatkan
efisiensi:
Pi = 1,37 kW
Losses = 1,37
kW- 1 Kw = 0,37 kW
