1. BAB II
GENERATOR SINKRON
2.1 Pendahuluan
Generator arus bolak – balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi
tenaga listrik arus bolak – balik. Generator arus bolak – balik sering disebut juga
sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron.
Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah
putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari
kecepatan putar rotor dengan kutub – kutub magnet yang berputar dengan
kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin ini tidak dapat
dijalankan sendiri karena kutub – kutub rotor tidak dapat tiba – tiba mengikuti
kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala – jala.
Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak – balik 1 phasa
b. Generator arus bolak – balik 3 phasa
Gambar diagram kedua bentuk generator arus bolak – balik tersebut dapat
dilihat dari gambar 2.1 berikut.
Universitas Sumatera Utara

2. (a) (b)
Gambar 2.1(a) Diagram Generator AC Satu Fasa Dua Kutub
(b) Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub
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 bagian ini akan dibahas mengenai konstruksi generator sinkron
secara garis besar. Bagian – bagian generator yang dibahas pada bagian ini antara
lain :
(a) Stator
(b) Rotor
2.2.1 Stator
Stator atau armatur adalah bagian generator yang berfungsi sebagai tempat
untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban
disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder
dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak
bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan
armatur generator dalam wye dan titik netral dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam
wye dipilih karena:
Universitas Sumatera Utara

3. 1. Meningkatkan daya output.
2. Menghindari tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal
dalam kondisi beban apapun. Dalam lilitan wye tegangan harmonik ketiga
masing-masing fasa saling meniadakan, sedangkan dalam lilitan delta
tegangan harmonik ditambahkan. Karena hubungan delta tertutup, sehingga
membuat sirkulasi arus harmonik ketiga yang meningkatkan rugi-rugi (I2
R).
Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk
laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang
bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Gambar 2.2 berikut
memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar.
Gambar 2.2 Inti Stator dan Alur pada Stator
Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga phasa, ada
dua tipe yaitu:
a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
Gambar 2.3 memperlihatkan belitan satu lapis karena hanya ada satu sisi
lilitan di dalam masing - masing alur. Bila kumparan tiga phasa dimulai pada Sa,
Universitas Sumatera Utara

4. Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu
hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan phasa dipisahkan sebesar 120
derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila
rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh
menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis
αmek dan sudut listrik αlis, adalah:
αlis = αmek …………. (2.1)
Gambar 2.3 Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa
b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada hanya mempunyai satu lilitan
per kutub per phasa, akibatnya masing – masing kumparan hanya dua lilitan
secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang
berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing – masing
tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan
jumlah total dari penghantar per phasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif
dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga
Universitas Sumatera Utara

5. melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk
mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi
dalam beberapa alur per kutub per phasa.
Gambar 2.4 Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa
Gambar 2.4 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang
secara umum banyak digunakan. Pada masing masing alur ada dua sisi lilitan dan
masing – masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang
tidak terletak ke dalam alur biasanya disebut winding overhang, sehingga tidak
ada tegangan dalam winding overhang.
2.2.2 Rotor (Magnetic Field)
Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet yang kemudian
tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki
dua tipe rotor, yaitu :
1.) Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole)
2.) Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical)
Universitas Sumatera Utara

6. Perbedaan utama antara keduanya adalah salient pole rotor digerakkan
oleh turbin hidrolik kecepatan rendah sedangkan cylindrical rotor digerakkan
oleh turbin uap berkecepatan tinggi. Sebagian besar turbin hidraulic harus
berputar pada kecepatan rendah (50 – 300 rpm). Salient pole rotor dihubungkan
langsung ke roda kincir dan frekuensi yang diinginkan 60 Hz. Jumlah kutub yang
dibutuhkan di rotor jenis ini sangat banyak. Sehingga dibutuhkan diameter yang
besar untuk memuat kutub yang sangat banyak tersebut. Cylindrical rotor lebih
kecil dan efisien daripada turbin kecepatan rendah. Untuk 2 kutub, frekuensi 60
Hz, putarannya 3600 rpm. Untuk 4 kutub, putarannya 1800 rpm. Bentuk rotor
yang terdapat pada generator sinkron dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut.
(a) Rotor kutub menonjol (b) Rotor Silinder
Gambar 2.5 Bentuk Rotor
2.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Jika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan
magnit yang terletak di antara kutub magnit utara dan selatan diputar oleh prime
mover, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnit atau fluks yang
bersifat bolak – balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memotong – motong
kumparan stator sehingga pada ujung – ujung kumparan stator timbul gaya gerak
Universitas Sumatera Utara

7. listrik karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik (ggl)
yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak – balik, atau berputar
dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor.
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron
dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian
elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah
putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin
dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
Dimana:
f = frekuensi listrik (Hz)
n = kecepatan putar rotor (rpm)
p = jumlah kutub magnet
P = = jumlah pasang kutub
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan
magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar
rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan
tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada
kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai
contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar
Universitas Sumatera Utara

8. dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin
empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.3.1 Generator Sinkron Tanpa Beban
Dengan memutar generator sinkron diputar pada kecepatan sinkron dan
rotor diberi arus medan (If), maka tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan
jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
E0 = c.n.Φ …………………. (2.3)
Dimana :
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
Φ = fluks yang dihasilkan oleh If
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya
tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan
(If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga E0
seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.
Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan output juga akan naik
sampai titik saturasi (jenuh) seperti diperlihatkan pada gambar 2.6 berikut.
Universitas Sumatera Utara

9. (a) (b)
Gambar 2.6 (a) Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban
(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban
Persamaan umum generator adalah :
E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs) …..…………… (2.4)
2.3.2 Generator Sinkron Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah – ubah maka besarnya tegangan
terminal Vt akan berubah – ubah pula. Hal ini disebabkan adanya :
• Jatuh tegangan karena resistansi jangkar (Ra)
• Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (XL)
• Jatuh tegangan karena reaksi Jangkar
Gambar rangkaian dan karakteristik generator sinkron berbeban diperlihatkan
pada gambar 2.7 berikut ini.
Universitas Sumatera Utara

10. Gambar 2.7 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
Persamaan tegangan pada generator berbeban adalah:
Ea = VΦ + IaRa + j IaXs …..……………………(2.5)
Xs = XL + Xa ..………………………(2.6)
Dimana:
Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt)
VΦ = tegangan terminal output per phasa (Volt)
Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm)
Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)
XL = reaktansi bocor per phasa (ohm)
Xa = reaktansi reaksi jangkar per phasa (ohm)
a. Resistansi Jangkar
Universitas Sumatera Utara

11. Resistansi jangkar per phasa Ra yang dialiri oleh arus jangkar Ia
menyebabkan terjadinya tegangan jatuh per phasa IaRa yang sefasa dengan arus
jangkar Ia. Akan tetapi, pada praktiknya jatuh tegangan ini diabaikan karena
sangat kecil.
b. Reaktansi Bocor Jangkar
Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi
tidak memotong air-gap, melainkan mengambil jalur yang lain dan
menghubungkan sisi – sisi kumparan. Fluks – fluks tersebut dinamakan fluks
bocor (leakage fluxes). Fluks bocor tersebut bergerak dengan arus jangkar dan
memberikan induktansi diri (self-inductance) belitan yang disebut dengan
reaktansi bocor jangkar (XL). Oleh karena itu, fluks bocor ini akan menimbulkan
jatuh tegangan akibat reaktansi bocor (XL) yang sama dengan IaXL. Dimana, jatuh
tegangan ini juga dapat mengurangi tegangan terminal (VΦ). Jadi, akan diperoleh
persamaan :
E = VΦ + Ia (Ra + jXL) …..…….. (2.7)
VΦ = E – Ia (Ra + jXL) …..…….. (2.8)
Gambar 2.8 berikut akan memperlihatkan diagram phasor dari pengaruh reaktansi
bocor jangkar (XL) terhadap tegangan terminal (VΦ).
Gambar 2.8 Diagram Phasor Pengaruh XL terhadap VΦ (beban induktif)
c. Reaksi Jangkar
Universitas Sumatera Utara

12. Seperti pada generator dc, reaksi jangkar adalah pengaruh dari fluksi
jangkar pada fluksi medan utama. Dalam kasus alternator, faktor daya dari beban
memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap reaksi jangkar. Gambar 2.9 berikut
akan memperlihatkan model reaksi jangkar pada generator sinkron.
Gambar 2.9 Model Reaksi Jangkar Generator Sinkron
Dimana :
Universitas Sumatera Utara

13. Gambar (a) menunjukkan suatu medan magnet yang berputar menghasilkan
tegangan induksi EA tidak timbul arus jangkar karena tidak ada
beban yang terhubung dan EA = VΦ
Gambar (b) memperlihatkan ketika beban induktif (lagging) dihubungkan pada
terminal jangkar, arus jangkar (IA) mengalir.
Gambar (c) Arus jangkar menghasilkan medan magnet Bs yang kemudian
menghasilkan tegangan Estat pada belitan stator.
Gambar (d) Medan magnet stator Bs menambah BR menjadi Bnet. Tegangan Estat
menambah EA menghasilkan VΦ pada terminal outputnya.
Ketika generator dihubungkan dengan beban lagging, arus puncak akan
terjadi pada sudut di bawah tegangan puncak. Pengaruh ini ditunjukkan pada
gambar (b). Arus yang mengalir dalam belitan stator menghasilkan medan magnet
Bs dan arahnya ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan seperit
ditunjukkan pada gambar (c). Medan magnet stator Bs menghasilkan tegangan di
stator Estat. Dengan hadirnya dua jenis tegangan tersebut, total tegangan dalam
satu phasa adalah penjumlahan dari tegangan induksi EA dan tegangan reaksi
jangkar Estat. Dalam persamaan :
VΦ = EA + Estat ……..……………. (2.9)
Total medan magnet Bnet adalah jumlah dari medan magnet rotor dan medan
magnet stator, yaitu :
Bnet = BR + Bs …………………. (2.10)
Karena sudut – sudut EA dan BR adalah sama dan sudut Estat dan Bs juga sama,
penjumlahan medan medan magnet Bnet akan sefasa dengan VΦ (gambar (d)).
Tegangan reaksi jangkar dapat diperoleh dengan persamaan :
Universitas Sumatera Utara

14. Estat = - jXIA ….………………….. (2.11)
Sehingga tegangan terminal :
VΦ = EA - jXIA …………………….. (2.12)
Terdapat 3 kasus umum dalam reaksi jangkar antara lain :
(i) Ketika faktor daya beban unity. Dimana, reaksi jangkar ini mengakibatkan
distorsi.
(ii) Ketika faktor daya beban zero lagging yang mengakibatkan pelemahan
(demagnetising) karena fluksi utama berkurang sehingga tegangan induksi
berkurang.
(iii) Ketika faktor daya beban zero leading. Pada kasus ini, fluksi utama
mengalami penambahan (magnetizing) sehingga tegangan induksi juga
meningkat.
Berikut ini akan diperlihatkan gambar diagram phasor pada generator
sinkron saat faktor daya tertinggal (lagging), mendahului (leading) dan satu
(unity).
Universitas Sumatera Utara

15. (a) Faktor Daya Lagging (tertinggal)
(c) Faktor Daya Mendahului (Leading)
(d) Faktor Daya Unity
Gambar 2.10 Diagram Phasor Generator Sinkron saat lagging, leading dan
unity
Dimana :
E0 = Tegangan tanpa beban (no-load) yang merupakan nilai tegangan terinduksi
maksimum pada jangkar ketika tidak ada tahanan jangkar (Ra), reaktansi
bocor (XL) dan reaksi jangkar.
Universitas Sumatera Utara

16. E = Tegangan beban terinduksi yang merupakan tegangan terinduksi setelah
terdapat reaksi jangkar. Secara vektor, E lebih kecil daripada E0 sebesar
IaXa.
VΦ = Tegangan terminal yang secara vektor lebih kecil daripada E0 sebesar IaZs
atau lebih kecil daripada E sebesar IaZ. Dimana,
Z = ……....……………….. (2.13)
Zs = ....……………………. (2.14)
Ia = Arus jangkar per phasa
Ө = sudut faktor daya beban
Maka, dari gambar dapat diperoleh :
(i) Untuk faktor daya lagging :
E0 =
= ……. (2.15)
(ii) Untuk faktor daya leading :
E0 =
= ……. (2.16)
(ii) Untuk faktor daya unity :
E0 =
Universitas Sumatera Utara

17. = ……. (2.17)
2.4 Karakteristik dan Penentuan Parameter – parameter Generator
Sinkron
2.4.1 Karakteristik dan Penentuan Parameter Tanpa Beban : E0 = E0 (If)
Karakteristik tanpa beban (beban nol) pada generator sinkron dapat
ditentukan dengan melakukan test beban nol (open circuit) yang memiliki langkah
– langkah sebagai berikut :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)
b.) Tidak ada beban yang terhubung pada terminal
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
d.) Catat harga tegangan terminal (Vt) pada setiap harga arus medan (If)
Gambar 2.11 Rangkaian Test Tanpa Beban
Dari gambar dapat diperoleh persamaan umum generator :
E0 = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Pada hubungan generator terbuka (beban nol), Ia = 0. Maka,
Universitas Sumatera Utara

18. E0 = VΦ = cnΦ …………. (2.18)
Karena tidak ada beban yang terpasang, maka Φ yang dihasilkan hanya Φf.
Sehingga :
E0 = cnΦf …………. (2.19)
E0 = cnIf .…………. (2.20)
Nilai cn adalah konstan sehingga persamaan menjadi :
E0 = k1.If .…………. (2.21)
Berikut diperlihatkan gambar grafik hubungan VΦ vs If yang disebut juga
dengan karakteristik hubung terbuka dari generator atau OCC (Open - Circuit
Characteristic).
Gambar 2.12 Karakteristik Hubung Terbuka (OCC)
Dari gambar 2.12 di atas terlihat bahwa pada awalnya kurva berbentuk hampir
benar – benar linear. Hingga pada harga – harga arus medan yang tinggi, bentuk
kurva mulai terlihat saturasi. Inti besi yang tidak jenuh dalam bingkai mesin
sinkron memiliki reluktansi beberapa ratus kali lebih rendah daripada reluktansi
air gap. Sehingga pertama – tama hampir seluruh MMF melewati celah udara dan
Universitas Sumatera Utara

19. peningkatan fluksi yang terjadi linear. Ketika inti besi mengalami saturasi,
reluktansi besi meningkat secara drastis dan fluksi meningkat lebih lambat dengan
peningkatan nilai MMF. Bentuk linear dari grafik OCC disebut karakteristik air
gap line.
2.4.2 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron Hubung
Singkat : Isc = Isc (If)
Untuk menentukan karakteristik dan parameter generator sinkron yang
dihubung singkat terdapat beberapa langkah yang harus dilakukan antara lain :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal
b.) Atur arus medan (If) pada nol
c.) Hubung singkat terminal
d.) Ukur arus armatur (Ia) pada setiap peningkatan arus medan (If)
Dimana, rangkaian test hubung singkat pada generator sinkron akan diperlihatkan
pada gambar 2.13 berikut.
Gambar 2.13 Rangkaian Test Hubung Singkat
Dari gambar, persamaan umum generator sinkron dihubung singkat adalah :
E = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Universitas Sumatera Utara

20. Pada saat generator sinkron dihubung singkat, VΦ = 0 dan Ia = Isc . Maka,
E = Isc (Ra + jXs) …………. (2.22)
cnΦ = Isc (Ra + jXs) …………. (2.23)
Karena cn dan (Ra + jXs) bernilai konstan, maka :
cn = k1 …………. (2.24)
(Ra + jXs) = k2 …………. (2.25)
Sehingga persamaan menjadi :
k1.If = Isc. k2 …………. (2.26)
Isc = …………. (2.27)
Pada karakteristik generator hubung singkat bentuk kurva adalah linear. Hal ini
disebabkan oleh medan magnet yang terjadi sangat kecil sehingga inti besi tidak
mengalami saturasi. Gambar 2.14 berikut ini akan memperlihatkan karakteristik
hubung singkat pada generator sinkron.
Gambar 2.14 Karakteristik Hubung Singkat (SCC)
Ketika generator dihubung singkat, arus armatur :
(Ia) = Isc = …………. (2.28)
Universitas Sumatera Utara

21. Harga mutlaknya adalah :
…………. (2.29)
Gambar 2.15 berikut menunjukkan diagram phasor dan medan magnet yang
dihasilkan pada generator yang dihubung singkat.
(i) Diagram Phasor (ii) Medan Magnet
Gambar 2.15 Diagram Phasor dan Medan Magnet saat Hubung Singkat
Karena Bstat hampir meniadakan BR, medan magnet Bnet sangat kecil. Oleh karena
itu, mesin tidak saturasi dan SCC berbentuk linear.
Dari kedua test tersebut di atas diperoleh :
- Ea dari test beban nol (Open Circuit)
- Ia dari test hubung singkat (Short Circuit)
Diperoleh impedansi sinkron : Zs = = …………. (2.30)
Karena Ra << XS, maka impedansi sinkron menjadi : ZS ≈ XS ≈
2.4.3 Karakteristik dan Penentuan Parameter Generator Sinkron
Berbeban :
V = V(If)
Universitas Sumatera Utara

22. Beberapa langkah untuk menentukan parameter generator sinkron
berbeban antara lain sebagai berikut :
a.) Generator diputar pada kecepatan nominal (n)
b.) Beban (ZL) terpasang pada terminal generator sinkron
c.) Arus medan (If) dinaikkan dari nol hingga maksimum secara bertahap
d.) Catat tegangan terminal (Vt) pada setiap peningkatan arus medan (If)
Gambar 2.16 Rangkaian Generator Sinkron Berbeban
Dari gambar 2.16 diperoleh persamaan umum generator sinkron berbeban :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.31)
Pada generator berbeban, Ia = IL bernilai konstan karena beban (ZL) tetap.
Universitas Sumatera Utara

23. Gambar 2.17 Karakteristik Generator Sinkron Berbeban
2.4.4 Penentuan Tahanan Stator Generator Sinkron
Tahanan stator generator sinkron dapat ditentukan dengan melakukan
pengukuran secara langsung. Akan tetapi, harga Ra naik pada keadaan kerja
karena pengaruh “skin effect”. Jadi, biasanya Ra yang diukur dikalikan faktor 1,6.
Rangkaian pengukuran tahanan stator generator sinkron dapat dilihat dari gambar
2.18 berikut.
Gambar 2.18 Rangkaian Pengukuran Tahanan DC
Universitas Sumatera Utara

24. 2.4.5 Karakteristik Luar Generator Sinkron : VΦ = f (IL)
Karakteristik ini akan memperlihatkan pengaruh dari perubahan arus
beban (IL) terhadap tegangan terminal generator sinkron (VΦ). Dalam penentuan
karakteristik luar generator sinkron, beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah
sebagai berikut :
a.) Kecepatan putar generator sinkron (n) tetap
b.) Arus medan (If ) konstan
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Dari gambar rangkaian generator sinkron berbeban yang telah
diperlihatkan pada gambar 2.16 sebelumnya, diperoleh persamaan :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Sehingga persamaan tegangan terminal VΦ generator sinkron dalam keadaan
berbeban :
VΦ = Ea - Ia (Ra + jXs) …………. (2.32)
Dalam hal ini, arus yang mengalir pada stator sama dengan arus yang mengalir
pada beban atau:
Ia = IL
Maka :
VΦ = Ea – IL (Ra + jXs) …………. (2.33)
VΦ = cnΦ – ILZs …………. (2.34)
VΦ = cnIf – ILZs …………. (2.35)
Karena c, n dan If konstan :
VΦ = k1 – ILZs …………. (2.36)
Universitas Sumatera Utara

25. Nilai Zs tetap, sehingga :
VΦ = k1 – ILk2 …………. (2.37)
Jika arus beban (IL) = 0 (beban nol), maka :
VΦ = k1
Jika tegangan terminal (VΦ) = 0 (hubung singkat), maka :
If = …………. (2.38)
Berikut ini merupakan gambar karakteristik luar generator sinkron dengan beban
induktif pada berbagai harga cosφ.
Gambar 2.19 Karakteristik Luar Generator Beban Induktif
2.4.6 Karakteristik Pengaturan Generator Sinkron : If = f (IL)
Karakteristik ini menunjukkan hubungan antara perubahan arus beban (IL)
dengan terhadap arus medan (If) generator sinkron. Dimana, dalam karakteristik
ini perlu diperhatikan hal – hal berikut :
a.) Tegangan terminal VΦ dijaga konstan
b.) putaran tetap
c.) Faktor daya (cosφ) tetap
Universitas Sumatera Utara

26. Persamaan untuk generator berbeban (gambar 2.16) :
Ea = VΦ + Ia (Ra + jXs)
Pada generator berbeban :
IL = Ia
Sehingga :
Ea = VΦ + IL(Ra + jXs) …………. (2.39)
cnΦ = VΦ + ILZs
cnIf = VΦ + ILZs
If = …………. (2.40)
Karena nilai c, n, VΦ, dan Zs konstan, maka :
cn = k1
VΦ = k2
Zs = k3
Sehingga diperoleh :
If = …………. (2.41)
Jika,
Universitas Sumatera Utara

27. Maka,
If = …………. (2.42)
Gambar 2.20 berikut menunjukkan karakteristik pengaturan generator
sinkron untuk faktor daya cosφ induktif (lagging), kapasitif (leading) dan unity.
Gambar 2.20 Karakteristik Pengaturan Generator
2.4.7 Karakteristik Faktor Daya Nol dan Segitiga Potier
Karakteristik ZPFC dari sebuah alternator adalah penggambaran hubungan
antara tegangan terminal jangkar dan arus medannya untuk nilai – nilai arus
jangkar dan kecepatan yang konstan. ZPFC dalam hubungannya dengan OCC
adalah sangat penting untuk menentukan reaktansi bocor jangkar XL dan arus
reaksi jangkar Fa. Untuk sebuah alternator, ZPFC ditentukan sebagai berikut :
a.) Mesin sinkron diputar pada kecepatan nominal oleh prime mover
b.) Beban induktif murni dihubungkan pada terminal jangkar dan arus medan
dinaikkan sampai arus jangkar beban penuh mengalir.
Universitas Sumatera Utara

28. c.) Beban divariasikan secara bertahap dan arus medan dalam setiap tahapnya
diatur untuk menjaga arus jangkar beban penuh. Gambar dari tegangan
terminal jangkar dan arus medan yang dicatat pada setiap tahapan
memberikan karakteristik faktor daya nol (ZPFC) pada arus jangkar beban
penuh.
Gambar 2.21 (a) Diagram Phasor alternator rotor silinder pada ZPF over-
excited
(b) OCC, ZPFC dan segitiga potier
Dari gambar dapat dilihat bahwa tegangan terminal Vt dan tegangan celah udara
(air-gap) Er hampir sefasa dan dapat diperlihatkan lewat persamaan aljabar :
Vt = Er – IaXL …………. (2.43)
Total arus rotor (Fr) dan arus medan (Ff) juga hampir sefasa dan dihubungkan
melalui persamaan sederhana :
Universitas Sumatera Utara

29. Ff = Fr + Fa …………. (2.44)
Anggap bahwa OCC memberikan hubungan yang tepat antara tegangan air-gap Er
dan total mmf Fr dalam keadaan berbeban. Juga anggap bahwa reaktansi bocor
jangkar adalah konstan.
Kurva OCC dan ZPFC diperlihatkan dalam gambar 2.22(b). Untuk eksitasi medan
Ff atau arus medan If adalah OP dan tegangan hubungan terbuka adalah PK.
Dengan eksitasi medan dan kecepatan yang dijaga konstan, terminal
jangkar terhubung dengan beban induktif murni yang dialiri oleh arus jangkar
beban penuh. Suatu pengujian dari gambar (a) dan (b) menunjukkan bahwa dalam
keadaan berbeban faktor daya nol, total eksitasi Fr adalah OF yang bernilai lebih
kecil daripada OP (Ff) sebesar Fa. Sesuai dengan resultan OF, tegangan air-gap Er
adalah FC dan jika CB = IaXL diambil dari Er = FC, tegangan terminal FB = PA
= Vt dapat ditentukan. Karena ZPFC adalah gambar hubungan antara tegangan
terminal dan arus medan If atau Ff yang tidak berubah dari nilai tanpa bebannya
OP, titik A terdapat pada ZPFC. Segitiga ABC disebut segitiga potier. Dimana,
CB = IaXL dan BA = Fa. Dari segitiga potier, reaktansi bocor jangkar XL dan arus
jangkar dapat ditentukan.
Jika tahanan jangkar dianggap nol dan arus jangkar dijaga konstan, maka
ukuran segitiga potier konstan dan dapat diletakkan paralel terhadap dirinya
sendiri dnegan sudut C tetap pada OCC dan sudut A pada ZPFC. Oleh karena itu,
ZPFC memiliki bentuk yang sama dengan OCC dan diletakkan secara vertikal
Universitas Sumatera Utara

30. sebesar IaXL dan secara horizontal ke kanan sebesar reaksi jangkar Fa atau arus
medan If.
Universitas Sumatera Utara