Prinsip kerja dan Kontruksi Generator Sinkron

Generator adalah mesin yang menggunakan magnet untuk menggubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator arus bolak-balik yang disebut juga generator sinkron memegang peranan penting dalam melakukan konversi energi primer (bahan bakar atau potensi tenaga air menjadi energi mekanik penggerak generator).

          Bagian kelistrikan generator AC merupakan komponen utama pada PLTGU yang termasuk jenis mesin serempak (mesin sinkron). Generator AC atau alternator merupakan suatu peralatan yang mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Dibandingkan dengan generator DC, generator AC lebih cocok untuk pembangkitan tenaga listrik yang berkapasitas besar (Sumanto, 1996).

Hal ini didasarkan pada pertimbangan-pertimbangan antara lain :

1.    Timbulnya masalah komutasi pada generator DC.

2.    Timbulnya persoalan dalam hal menaikkan dan menurunkan tegangan pada listrik DC.

3.    Listrik AC mudah diubah menjadi listrik DC.

4.    Masalah efisiensi mesin dan lain-lain pertimbangan.

a.      Prinsip Kerja Generator Sinkron

          Perbedaan prinsip antara generator DC dengan generator AC adalah untuk generator DC, kumparan jangkar ada pada bagian rotor dan terletak diantara kutub-kutub magnet yang tetap di tempat, diputar oleh tenaga mekanik, sedangkan konstruksi pada generator sinkron sebaliknya, yaitu kumparan jangkar disebut juga kumparan stator karena berada pada tempat yang tetap dan kumparan rotor bersama-sama dengan kutub magnet diputar oleh tenaga mekanik. Skema prinsip kerja generator listrik seperti terlihat pada Gambar 3.

Berdasarkan Hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik yaitu bila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, maka akan dibangkitkan gaya gerak listrik dalam konduktor tersebut. Jika rotor diputar pada penggerak mula (prime mover), maka kutub-kutub yang ada pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub diberi arus searah, maka pada kumparan kutub akan timbul medan magnet atau fluks yang bersifat bolak-balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memutar kumparan jangkar pada stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul gaya gerak listrik (ggl) atau tegangan induksi. Besarnya tegangan induksi yang timbul pada  kumparan jangkar yang ada pada stator (Sumanto, 1996) adalah :

          E = 4,44 X f X fp X fd X φ X N volt                                                     (1)

dimana :   E   =  GGL induksi (volt)

                 f    =  frekuensi listrik (Hz)

                 fp  =  faktor langkah

                 fd  =  faktor distribusi

                 N   =  jumlah lilitan

                 Φ   =  fluks magnet

          Besarnya frekuensi ggl yang dibangkitkan tergantung pada jumlah kutub medan dan kecepatan putaran prime mover. Pada kumparan tertentu, akan dibangkitkan tegangan satu siklus lengkap, bila sepasang kutub rotor (kutub utara dan kutub selatan) digerakkan melewati kumparan, maka jumlah siklus yang dibangkitkan dalam satu putaran rotor sama dengan jumlah pasangan kutub rotor p/2, dimana p adalah jumlah total kutub. Menurut Sumanto (1996), jika n adalah kecepatan putar rotor dalam putaran per menit, maka n/60 adalah putarn per sekon, sehingga frekuensi dinyatakan dalam Hertz atau siklus per sekon sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

      

          Lilitan 3 fasa untuk generator 3 fasa, kumparan-kumparan fasa antara yang satu dengan yang lain masing-masing berjarak 120 derajat listrik. Jadi ujung-ujung akhir dari kumparan fasa I, II, III masing-masing berjarak 120 derajat listrik. Ketiga fasa itu biasanya ditandai U-V-W dan dapat diatur menurut hubungan delta atau hubungan bintang. Tegangan antara dua fasa adalah V. Khususnya pada hubungan bintang terdapat titik bintang yang diberi tanda nol (O). Tegangan antar fasa dari titik bintang adalah  Seperti terlihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Hubungan kumparan 3 fasa,(a) Hubungan Delta, (b)Hubungan Bintang

Daya sebuah generator dinyatakan dengan rumus :

         

    Daya nominal sebuah generator dinyatakan dalam kW atau MW ataupun dalam kVA atau MVA. Daya nominal ditentukan oleh suhu kerja dari kumparan, sedangkan factor daya biasanya sekitar 0,8. Efisiensi sebuah generator dinyatakan dalam rasio keluaran dibagi masukan. Keluaran yang bermanfaat merupakan seluruh masukan dikurangi rugi-rugi.

1.      Rugi-rugi mekanikal termasuk gesekan bantalan dan udara.

2.      Rugi-rugi elektrikal terdiri atas rugi-rugi besi dan tembaga.

Semua rugi-rugi akan mengakibatkan terjadinya panas yang harus dihilangkan melalaui pendinginan. Pendinginan generator dapat dilakukan melalui sistem terbuka atau sistem tertutup. Pada sistem tertutup, kipas-kipas mengalirkan udara melalui generator, sedangkan udara panas didinginkan dengan air, sebelum disirkulasikan kembali. Sistem demikian memberi proteksi yang baik terhadap kemungkianan terjadinya api dalam generator karena terbatasnya pemasukan udara. Pada sistem terbuka, kipas-kipas memperoleh udara dari luar melalui suatu saluran. Udara itu dipaksa melewati alur-alur kecil diantara bagian-bagian inti dan kumparan. Udara yang dipakai dengan sendirinya menjadi panas. Sistem terbuka lebih murah dan memberikan pandangan yang lebih rapi dan tidak bising (Abdul Kadir, 1996).

            Suatu pusat pembagkit tenga listrik, biasanya terdiri dari dua unit atau lebih. Pada saat pembagkit melayani beban yang bertambah, maka diperlukan kerja paralel antara unit-unit. Selain dimaksudkan untuk memperbesar kapasitas daya yang dibangkitkan, juga sering dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada generator yang dihentikan misalnya ada gangguan pada salah satu unit.

          Sebelum dua generator sinkron diparalelkan, harus dipenuhi kondisi berikut :

1.      Urutan fasa harus sama.

2.      Tegangan terminalnya harus sama.

3.      Tegangannya harus sefasa.

4.      Frekuensinya harus sama.

            Jika ada dua generator beroperasi dan persyaratan ini dipenuhi maka dikatakan dalam keadaan sinkron. Operasi agar mesin dalam keadaan sinkron disebut penyinkronan.

          Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut bisa arus searah atau arus bolak-balik. Pada pusat tenaga listrik, generator arus searah berfungsi sebagai penguat medan (exciter) pada generator utama. Ada 3 hal pokok yang terdapat pada prinsip kerja generator yaitu :

1.      Ada fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.

2.      Adanya kawat penghantar listrik yang merupakan tempat terbentuknya GGL.

3.      Adanya gerakan relatif antara fluks magnet dengan kawat penghantar.