Modul Sinkronisasi 4v661

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Dengan berkembangnya zaman dari masa ke masa maka, akan semakin tinggi tingkat kebutuhan tenaga listrik, khusunya energi listrik di Indonesia mengalami peningkatan lebih tinggi di bandingkan sebelum - sebelumnya. Penyebab utamanya adalah semakin berkembangnya industry – industry yang membutuhkan energi listrik baik jumlah yang besar maupun kecil untuk mengoperasikan mesin produksi. Generator yang lebih banyak di gunakan di industri-industri ialah generator sinkron, karena cara kerja yang mudah, pemeliharaan yang tidak terlalu rumit dan tidak teralu memakan biaya. Penamaan generator sinkron dikarenakan arus daya yang dihasilkan lebih besar dan stabil. Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan. Oleh sebab itu dalam pembuatan laporan ini ditujukan untuk membahas lebih jauh mengenai “Sinkronisasi”. 1.2 Maksud dan Tujuan Maksud dari pelaksanaan praktikum ini adalah sebagai salah satu syarat untuk memenuhi seluruh praktikum Mesin AC jurusan Teknik Elektro di Institut Teknologi Nasional Bandung. Adapun tujuannya: 

Untuk mengetahui prinsip kerja dan memparalelkan generator sinkron dengan tegangan jala – jala.

1.3 Pembatasan Masalah Mengingat pentingnya mempraktekan apa yang telah di dapat dari perkuliahan, maka penulis perlu membahas tentang generator sinkron, cara sinkronisasi generator dengan jala - jala dan prinsip kerjanya Selain itu penulis juga dapat memahami cara pengoperasian generator sinkron yang diapplikasikan sinkronisasi. 1.4 Teknik Pengumpulan Data Dalam penyusunan laporan praktikum Mesin AC ini penulis menggunakan beberapa metode pengumpulan data, diantaranya adalah: 1. Metoda pustaka dan studi literatur Studi literatur adalah metoda yang dilakukan dengan membaca dan mempelajari sumber - sumber kepustakaan yang erat hubungannya dengan topik yang penulis sajikan dalam hal ini adalah modul Pratikum “Mesin AC Institut Teknologi Nasional” 2. Metoda Pengujian Pengujian di Laboratorium Teknik Energi Elektrik Institut Teknologi Nasional Bandung.

1.5 Sistematika Pembahasan BAB I : Pendahuluan Menguraikan latar belakang, rumusan masalah, tujuan, penulisan, metode dan teknik pengumpulan dan sistematis penulisan. BAB II : Teori Dasar Menguraikan tentang pengertian generator sinkron, prinsip dasar, konstruksi generator sinkron, prinsip kerja generator sinkron dan pengasutan generator sinkron. BAB III : Landasan teori Berisikan tentang alat-alat yang digunakan, prosedur percobaan, data pengamatan, wiring diagram dan pengolahan data. BAB IV : Tugas akhir dan Analisa Berisikan pertanyaan dan jawaban dari tugas akhir Menguraikan tentang analisa dari hasil percobaan dan pengolahan data yang dilakukan. BAB V : Kesimpulan dan Saran Berisikan kesimpulan mengenai hasil yang diperoleh dari praktikum yang telah dilakukan.Saran berisikan hal-hal yang harus diperbaiki pada saat praktikum. DAFTAR PUSTAKA

BAB II TEORI DASAR 2.1 Penjelasan Generator Sinkron Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, yang keluarannya berupa tegangan bolak-balik. Generator sinkrondapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari kebutuhan. Generator sinkron dengan penyebutannya sinkron memiliki makna frekuensi keluaran tegangannya sinkron dengan putaran mesinnya sendiri, artinya adalah rotor generator sinkron yang diputar dengan penggerak mula (prime mover) yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet putar dengan kecepatan dan arah putar yang sama dengan putaran rotor tersebut. Perbedaan prinsip antara generator DC dengan generator AC adalah letak kumparan jangkar dan kumparan statornya. Pada generator DC, kumparan jangkar terletak pada bagian rotor dan kumparan medan terletak pada bagian stator. Sedangkan pada generator AC, kumparan jangkar terletak pada bagian stator dan kumparan medan terletak pada bagian rotor. 2.2 Konstruksi Generator Sinkron Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan mdan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.1. Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.2. Gambaran bentuk rotor Non-salient (rotor silinder),

2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3fasa dengan tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.3. Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan.

Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara

sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.

2.4 Pengertian sinkronisasi Sinkronisasi generator adalah memparalelkan kerja dua buah generator atau lebih untuk mendapatkan daya sebesar jumlah generator tersebut dengan syarat-syarat yang telah di tentukan. Adapun syaratnya adalah sebagai berikut: 1. 2. 3. 4.

Mempunyai tegangan kerja yang sama Mempunyai urutan phasa yang sama Mempunyai frekuensi kerja yang sama Mempunyai sudut phasa yang sama Dalam kerja parallel generator tidak cukup hanya berdasar pada syarat-

syarat di atas karena ada hal lain yang perlu diketahui sebagai penjabaran syarat-syarat di atas. Berikut adalah penjabarannya : 1. Mempunyai tegangan kerja yang sama Dengan adanya tegangan kerja yang sama diharapkan pada saat diparalel dengan beban kosong power faktornya 1. Dengan power factor 1 berarti tegangan antara 2 generator sama persis. Pada saat generator bekerja parallel perubahan arus eksitasi akan mengubah power factor, jika arus eksitasi diperkuat maka nilai power factor akan mem besar mendekati 1. 2. Mempunyai phasa yang sama Yang dimaksud dengan urutan phasa adalah arah putaran dari ketiga phasa. Arah dalam dunia industry dikenal dengan nama CW (Clock Wise) yang artinya searah dengan arah jarum jam, sedangkan yang berlawanan dengan arah jarum jam disebut CCW (Counter Clock Wise). Hal ini dapat diukur dengan alat phase indicator. Dimana jika pada saat mengukur jarum bergerak berputar kekanan dinamakan CW dan apabila kekiri dinamakan CCW. Disamping itu dikenal juga dengan urutan phasa ACB dan CBA. ABC identik dengan CW dan CBA identik dengan CCW. Perlu diketahui bahwa dalam banyak generator mencantumkan symbol R,S,T,N ataupun

L1,L2,L3,N namun tidak selalu berarti bahwa urutan CW/ABC itu berarti RST ataupun L1,L2,L3 jika diukur urutan STR, TRS, L3,L2,L1 itu juga termasuk CW/ABC. Sebagai contoh, jika kabel penghantar yang keluar dari generator diseragamkan semua berwarna hitam dan tidak ada kode sama sekali, apakah kita bias membedakan secara visual atau parameter listrik bahwa penghantar itu phasanya R, S, atau T tentu tidak. Kita hanya bias membedakan arah urutannya saja CW atau CCW. 3. Mempunyai frekuensi kerja yang sama Didalam dunia industry dikenal 2 buah system frekuensi yaitu 50 Hz dan 60 Hz. Dalam operasionalnya sebuah genset bisa saja mempunyai frekuensi yang fluktuatif (berubah-ubah) karena factor-faktortertentu. Pada jaringan distribusi dipasang alat pembatas frekuensi yang membatasi frekuensi pada minimal 48,5 Hz dan maksimal 51,5 Hz. Namun pada genset-genset pabrik over frekuensi dibatasi sampai 55 Hz sebagai overspeed. Pada saat hendak parallel, duabuah genset tertentu tidak mempunyai frekuensi yang sama persis. Jika mempunyai frekuensi yang sama persis maka genset tidak akan bisa parallel karena sudut phasanya belum match, dan salah satu harus sedikit atau dilebihi sedikit untuk mendapatkan sudutphasa yang tepat. Setelah dapat disinkron dan berhasil sinkron, baru kedua genset mempunyai frekuensi yang sama persis. 4. Mempunyai sudut phasa yang sama Mempunyai sudut phasa yang sama bias diartikan kalau kedua phasa genes tmempunyai sudut phasa yang berhimpit sama atau 0 derajat. Dalam kenyataannya

tidak

memungkinkan

mempunyai

sudut

yang

berhimpitkarena genset yang berputar meskipun dilihat dari parameternya mempunyai frekuensi yang sama, namun jika dilihat menggunakan synchronoscope pasti bergerak labil kekiri dan kekanan, dengan kecepatan sudut radian yang ada sangat sulit untuk mendapatkan sudut berhimpit dalam jangka waktu 0,5detik. Breaker membutuhkan waktu tidak kurang dari 0,3detikuntuk close pada saat ada perintah close. 2.5 Jenis Sinkronisasi

Berdasarkan arah atau susunan peralatan pada system tenaga listrik, sinkronisasi dibagi menjadi 2 jenis, yaitu: 1. Forward Synchronization Forward Synchronization (sinkronisasi maju), yaitu proses sinkronisasi generator kedalam sistematau busbar.

Gambar 2.6 Skema forward synchronization

2. Reverse Synchronization Reverse synchronization atau backward synchronization (sinkronisasi terbalik) biasanya terjadi pada sistem tenaga listrik disuatu pabrik, dimana suatu jaringan suplai akan digabungkan kedalam suatu jaringan system atau busbar yang ada. Pada kondisi ini tidak dimungkinkan untuk mengatur parameter sinkron pada sisi incoming (jaringan yang akandisinkronkan), yang terpenting CB (PMT) dari beban-beban pada jaringan suplai (grid supply) dalam keadaan terbuka.

Gambar 2.5 Skema Reverse synchronization

2.6 Pengaruh Perbedaan Tegangan, Frekuensi dan Sudut Fasa Bila pada saat CB menutup, kesamaan dari mensinkronkan sirkit generator dengan sistem tidak terpenuhi, maka akan terjadi gangguan listrik. Tingkat gangguan ini tergantung kepada perbedaan dari kondisi yang telah ditentukan. 1. Tegangan Antara tegangan generator (yang akan dipararel) dengan tegangan sistem jaringan harus sama besarnya (nilainya). Untuk menyamakan, maka tegangan generator harus diatur, yaitu dengan mengatur arus eksitasinya. Apabila tegangan generator lebih tinggi dari tegangan sistem, maka mesin (generator) akan mengalami sentakan beban M Var lagging (induktif); artinya generator mengirim daya reaktif ke sistem. Sebaliknya bila tegangan generator lebih rendah dari pada tegangan sistem, mesin akan mengalami sentakan beban M Var Leading (kapasitif), artinya generator menyerap daya reaktif dari sistem. 2. Frekuensi Frekuensi generator dan frekuensi sistem harus sama (match). Untuk menyamakan, maka putaran generator harus diatur, yaitu dengan cara mengatur katup governor (aliran uap masuk turbin). Jika frekuensi generator lebih tinggi dari pada frekuensi sistem, sistem akan mengalami sentakan beban MW dari mesin, artinya mesin membangkitkan MW. Sebaliknya jika generator frekuensinya lebih rendah dari pada sistem, mesin akan mengalami sentakan MW dari sistem , artinya mesin menjadi motor (motorig). 3. Sudut fasa Sudut

fasa

antara

generator

dan

sistem

harus

sama.

Untuk

menyamakannya fasa generator harus diatur, yaitu dengan cara mengatur kecepatan generator dengan katup governor. Apabila terjadi perbedaan fasa antara generator dengan sistem akan mengakibatkan sentakan perpindahan daya antara mesin dan sistem. Hal ini mengakibatkan kondisi gangguan dan

terjadinya sirkulasi arus antara mesin dan sistem yang besarnya ditentukan oleh perbedaan antara keduanya. Di dalam penyediaan listrik, perusahaan listrik mempunyai kewajiban untuk menyediakan kualitas listrik yang stabil kepada pelanggan. Kualitas tersebut meliputi frekuensi dan tegangan yang selau konstan. Frekuensi di Indonesia menggunakan standard 50 Hz. Variasi frekuensi sebaiknya tidak melebihi 1 % dari 50 Hz, yaitu : 49,5 - 50,5Hz atau 2970 3030 Rpm. Bila ferkuensi menyimpang dari 50 Hz , maka jam listrik dan putaran motor akan berubah sehingga untuk peralatan yang presisi atau teliti perubahan ini dapat mengakibatkan terganggunya operasi alat. Batas waktu penyimpangan yang diperbolehkan dan tidak menimbulkan pengaruh adalah selama 10 detik. Jika

jumlah

pembangkitan

MW

melebihi

kebutuhan

pelanggan

(konsumen), maka kelebihan energi ini menaikan putaran rotor semua turbin generator yang terhubung ke sistem sehingga frekuensi naik. Sebaliknya bila kebutuhan beban pelanggan lebih besar dari MW yang dibangkitkan , maka semua turbin generator putarannya berkurang sehingga frekuensi nya turun. Tegangan nominal untuk sistem tegangan rendah kepada pelanggan adalah 220 Volt. Variasi tegangan yang disarankan tidak melebihi 6% dari tegangan nominalnya. Jadi untuk tegangan nominal 220 Volt rentangnya adalah 206,8~ 233,2 V. Tidak seperti frekuensi, tingkat (level) tegangan pada seluruh sistem tidak sama. Tegangan sistem dapat dipengaruhi oleh keadaan setempat atau lingkungan. 4. Sudut fasa dan synchroscope Seringkali terdapat kerancuan antara perbedaan fasa dan frekuensi. Frekuensi adalah banyaknya siklus (sinusoida) dalam satu detik dari suatu sirkuit listrik. Sedang perbedaan fasa adalah pergeseran sudut antara satu sirkuit dengan sirkit listrik yang lain untuk fasa yang sama, lihat gambar dibawah ini.

Untuk dapat melihat perbedaan fasa secara grafis diperlukan instrument oskiloscope. Tetapi didalam penerapannya menjadi tidak praktis untuk memasang osiloskop pada listrik (alternator). Sebagai gantinya dipasang synhroskop dan lampu untuk mengetahui perbedaan fasa ini. Didalam sinkroskop ini hanya ditunnjukan keterangan slow, dan fast, serta titik atau garis yang terletak diantaranya. Apabila jarum menunjuk kearah flow, artinya fasa alternator tertinggal dibelakang fasa sistem, sedang apabila jarum menunjuk kearah fast, artinya, fasa alternator lebih cepat dari fasa sistem. Perbedaan fasa adalah nol apabila jarum sinkroskop menunjukan titik nol (jam 12) atau garis tegak diantara slow dan fast. Untuk sinkronisasi harus dilakukan pada saat jarum bergerak pelan kearah fast atau berhenti pada posisi titik nol atau mendekati titik nol antara slow dan fast. Apabila jarum berhenti tidak pada posisi titik nol, sinkronisasi tidak boleh dilakukan, karena ini berarti masih ada perbedaan fasa. Dan besarnya perbedaan fasa adalah jarak antara jarum berhenti dengan titik nol. Sinkronisasi yang dilakukan pada saat sudut fasa tidak sama dengan nol atau mendekati nol dapat mengakibatkan kerusakan pada trafo dan alternator, karenan hal ini berarti terjadi sentakan aliran arus sirkulasi dari alternator ke sistem atau dari sistem ke alternator.

2.7 Mempararelkan Generator Paralel generator dapat diartikan menggabungkan dua buah generatoratau lebih dan kemudian dioperasikan secara bersama – sama dengan tujuan : 1. Mendapatkan daya yang lebih besar. 2. Untuk

effisiensi

(Menghemat

biaya

pemakaian

Menghemat biaya pembelian) 3. Untuk memudahkan penentuan kapasitas generator. 4. Untuk menjamin kotinyuitas ketersediaan daya listrik.

operasional

dan

A. Sinkronisasi Jika kita hendak memparalelkan dua generator atau lebih tentunya kita harus memperhatikan beberapa persyaratan paralel generator tersebut. Beberapa persyaratan yang harus dipenuhi adalah ; 1. Tegangan kedua generator harus mempunyai amplitudo yang sama. 2. Tegangan kedua generator harus mempunyai frekwensi yang sama, dan 3. Tegangan antar generator harus sefasa. 4. Mempunyai sudut phasa yang sama. Dengan persyaratan diatas berlaku apabila ; 1. Lebih dari dua generator yang akan kerja paralel. 2. Dua atau lebih sistem yang akan dihubungkan sejajar. 3. Generator atau pusat tenaga listrik yang akan dihubungkan pada sebuah jaringan. Metoda sederhana yang dipergunakan untuk mensikronkan dua generator atau lebih adalah dengan mempergunakan sinkroskop lampu. Yang harus diperhatikan dalam metoda sederhana ini adalah lampu – lampu indikator harus sanggup menahan dua kali tegangan antar fasa. B. Sinkronoskop Lampu Gelap Jenis sinkronoskop lampu gelap pada prinsipnya menghubungkan antara ketiga fasa, yaitu U dengan U, V dengan V dan W dengan W. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 2.7 Skema Sinkronoskop Lampu Gelap

Pada hubungan ini jika tegangan antar fasa adalah sama maka ketiga lampu akan gelap yang disebabkan oleh beda tegangan yang ada adalah

nol. Demikian juga sebaliknya, jika lampu menyala maka diantara fasa terdapat beda tegangan. Ini dapat dijelaskan pada gambar berikut ;

Gambar 2.8 Beda tegangan antara fasa pada sinkronoskop lampu gelap

C. Sinkronoskop Lampu Terang Jenis sinkronoskop lampu terang pada prinsipnya menghubungkan antara ketiga fasa, yaitu U dengan V, V dengan W dan W dengan U. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.9 Skema Sinkronoskop Lampu Terang

Sinkronoskop jenis ini merupakan kebalikan dari sinkronoskop lampu gelap. Jika antara fasa terdapat beda tegangan maka ketiga lampu akan menyala sama terang dan generator siap untuk diparalel. Kelemahan dari sinkronoskop ini adalah kita tidak mengetahui seberapa terang lampu tersebut sampai generator siap diparalel. Ini dapat dijelaskan dengan gambar dibawah ini.

Gambar 2.10 Beda tegangan antara fasa sinkronoskop lampu terang

D. Sinkronoskop Lampu Terang Gelap Sinkronoskop jenis ini dapat dikatakan merupakan perpaduan antara sinkronoskop lampu gelap dan terang. Prinsip dari sinkronoskop ini adalah dengan menghubungkan satu fasa sama dan dua fasa yang berlainan, yaitu fasa U dengan fasa U, fasa V dengan fasa W dan fasa W dengan fasa V. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada skema dibawah ini ;

Gambar 2.11 Skema sinkronoskop lampu terang gelap

Pada sinkronoskop ini generator siap diparalel, jika satu lampu gelap dan dua lampu lainnya terang. Pada kejadian ini dapat diterangkan pada gambar berikut ini ;

Gambar 2.12 Beda tegangan antara fasa sinkronoskop lampu terang gelap

BAB III LANDASAN TEORI 3.1 Alat-alat praktikum 1. Generator sinkron dan penggeraknya............................................1 Unit 2. Catu daya bantu searah..................................................................1 Unit 3. Voltmeter........................................................................................1 Unit 4. Sinkronisasi..........................................................................1 Unit 5. Amperemeter..................................................................................1 Unit 6. Tachometer.....................................................................................1 Unit 7. Kabel jumper.........................................................................secukupnya