MESIN ELEKTRIK I

Oleh : Ir. Hery Purnomo, MT

Karakteristik Mesin sinkron

MESIN SINKRON• Mesin sinkron berputar pada kecepatan konstan

dalam kondisi steady state.• Tidak seperti mesin induksi. Perputaran medan celah

udara dan rotor pada mesin sinkron berputar pada kecepatan yang sama, yang disebut kecepatan sinkron.

• Mesin sinkron digunakan terutama sebagai pembangkit tenaga listrik. Biasanya disebut generator sinkron atau alternator.

• Biasanya mesin besar pembangkit listrik tenaga air, nuklir, atau pembangkit listrik termal.

• Seperti mesin berputar kebanyakan, mesin sinkron juga dapat beroperasi baik sebagai generator ataupun motor.

• Dalam ukuran besar (ratusan atau ribuan kilowatt) motor sinkron digunakan untuk pompa di stasiun pembangkit, dan dalam ukuran kecil digunakan dalam jam listrik, timer, rekaman turntable, dan sebagainya di mana kecepatan konstan yang diinginkan.

• Sebagian besar sistem pengendalian dalam industri dengan kecepatan variabel. Dalam aplikasi industri, motor sinkron digunakan terutama pada kecepatan yang diinginkan konstan. Oleh karena itu, dalam aplikasi industri, motor sinkron tidak banyak digunakan sebagai penggerak seperti motor induksi atau motor dc.

• Motor Sinkron Linier(LSM) digunakan untuk sistem transportasi kecepatan tinggi masa depan.

• Yang penting dari sebuah motor sinkron adalah bahwa dapat menarik arus reaktif tertinggal atau mendahului dari sistem suplai ac.

• Mesin sinkron adalah mesin yang tereksitasi ganda. Kutub rotor yang dieksitasi oleh arus dc dan belitan stator yang terhubung ke suplai ac (Gbr. 6.1).

• Fluks celah udara adalah resultan dari fluks akibat dari arus stator dan rotor. Pada mesin induksi, satu-satunya sumber eksitasi adalah arus stator, karena arus rotor yang diinduksi arus-arus nya.

• Oleh karena itu, motor induksi selalu beroperasi pada faktor daya tertinggal, karena arus reaktif yang lagging diperlukan untuk membangun fluks dalam mesin.

• Di sisi lain, dalam sebuah motor sinkron, jika belitan medan rotor hanya menyediakan eksitasi yang diperlukan. Stator tidak akan menarik arus reaktif, yaitu, motor akan beroperasi pada faktor daya satu (unity).

• Jika arus eksitasi rotor berkurang, arus reaktif yang tertinggal akan diserap dari sumber ac untuk membantu magnetisasi dari arus pada rotor, dan mesin akan beroperasi dalam keadaan faktor daya tertinggal.

• Jika arus pada rotor bertambah, arus reaktif yang mendahului akan diambil dari sumber ac untuk melawan magnetisasi dari arus rotor dan mesin akan beroperasi pada faktor daya mendahului.

• Dengan demikian, dengan mengubah arus medan, faktor daya motor sinkron dapat dikendalikan. Jika motor tidak berbeban tetapi hanya mengambang pada sistem suplai ac, dengan demikian akan berperilaku sebagai induktor variabel atau kapasitor karena arus medan rotor berubah.

• Sebuah mesin sinkron tanpa beban disebut kondensor sinkron, dapat digunakan pada sistem transmisi daya untuk mengatur tegangan.

• Dalam industri, motor sinkron kadang-kadang digunakan dengan motor induksi lainnya dan dioperasikan dalam mode eksitasi lebih sehingga dapat menarik arus mendahului untuk mengimbangi arus tertinggal oleh motor induksi, dengan demikian meningkatkan faktor daya pembangkit listrik secara keseluruhan.

• Contoh 6.1 mengilustrasikan penggunaan motor sinkron untuk perbaikan faktor daya

Contoh 6.1  Di sebuah pabrik, sebuah mesin sinkron 3 fasa , 4 kV,

400 kVA terpasang bersama dengan motor induksi lainnya. Berikut adalah beban pada mesin: 

Motor induksi: 500 kVA pada faktor daya 0,8 tertinggal Motor sinkron: 300 kVA pada faktor daya 1 a) Hitunglah faktor daya keseluruhan beban pabrikb) Untuk meningkatkan faktor daya pabrik, mesin

sinkron diberi eksitasi lebih (untuk menarik arus mendahului) tanpa perubahan beban. Tanpa membebani lebih pada motor, sampai sejauh mana faktor daya pabrik ditingkatkan? Temukan arus dan faktor daya dari motor sinkron untuk kondisi ini!

Solusi  a) Motor induksi  Daya = 500 x 0.8 = 400 kW Daya reaktif = 500 x 0.6 = 300 kVAR  Motor sinkron:  Daya = 300 kW Daya reaktif = 0,0

Pabrik :  Daya = 700 kW Daya reaktif = 300 kVAR Daya kompleks =

Faktor daya = 700/762 = 0.92 lag

kVA762300700 22

GENERATOR SINKRON• Dengan memutar rotor yang sudah dialiri arus eksitasi If

didalam belitan stator aa’, bb’, dan cc’, maka belitan stator akan menginduksikan tegangan (tegangan eksitasi Ef)seperti pada gambar 6-4b yang mempunyai amplitudo yang sama dan bergeser 1200 listrik diantaranya

• Hubungan antara kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan terinduksi adalah

6.1

atau 6.2

dimana : n = kecepatan rotor (rpm) p = jumlah kutub

• Tegangan eksitasi dalam rms

E1=4,44 f Ф1NKw 6.3

dimana Ф = fluksi per kutub akibat arus eksitasi If

N = jumlah belitan dari masing-masing fasa Kw = faktor belitan

• Dari persamaan 6.2 dan 6.3 diperoleh

6.4• Tegangan eksitasi sebanding dengan kecepatan mesin

dan fluksi eksitasi dan juga tergantung pada arus eksitasi If yang hubungannya seperti yang ditunjukkan pada gambar 6.5

• Tegangan terinduksi ada pada saat If = 0 karena ada magnet remanensi

• Awalnya tegangan naik secara linier seiring dengan kenaikan arus medan, tetapi pada nilai tertentu fluksi medan Φf tidak bisa naik secara linier karena rangkaian magnet jenuh sehingga Ef berhenti dinilai tersebut

• Bila belitan stator dihubungkan dengan beban 3-fasa, maka akan mengalir arus stator Ia . Frekuensi arus stator Ia sama dengan tegangan eksitasi Ef .

• Arus stator Ia mengalir pada belitan akan menghasilkan medan putar dalam celah udara. Akan menghasilkan fluksi gabungan yang dihasilkan arus stator dan arus rotor If .

• Resultante kedua fluksi tersebut dikenal sebagai fluksi reaksi jangkar :Фr = Фf + Фa = resultan fluks celah udara, dengan asumsi tidak saturasi

• Diagram fasor ruang dari fluksi-fluksi tersebut ditunjukkan pada gambar 6.6.

• Mmf medan rotor Ff (karena If) dan fluksi Φf yang dihasilkan oleh mmf Ff dinyatakan segaris.

• Tegangan terinduksi Ef tertinggal terhadap fluksi Φf

sebesar 900.

• Diasumsikan bahwa arus stator Ia tertinggal terhadap Ef sebesar sudut θ. Mmf Fa dan fluks Фa pada sumbu yang sama dengan arus Ia. Resultan mmf Fa adalah penjumlahan vektor dari mmf Ff dan Fa.

• Dengan asumsi tidak saturasi, resultan fluks Фf juga merupakan penjumlahan vektor dari Фf dan Фa.

KARAKTERISTIKGENERATOR SINKRON

1.Karakteristik Tanpa Beban2.Karakteristik Hubung Singkat3.Karakteristik Beban4.Karakteristik Luar

Sebuah kurva yang merupakan hubungan dua besaran elektrik dan menyatakan sifat dari generator sinkron tersebut

Menentukan besar parameter mesin sinkron (kutub silindris)

– The saturation characteristic: relationship between If and f (and therefore between If and Ef)

– The synchronous reactance, Xs

– The armature resistance, Ra•

The above three quantities could be determined by performing the following three tests:

Open-circuit test Short-circuit test DC test

Open-circuit test • The generator is turned at the rated speed• The terminals are disconnected from all loads, and the

field current is set to zero.• Then the field current is gradually increased in steps,

and the terminal voltage is measured at each step along the way.

• It is thus possible to obtain an open-circuit characteristic of a generator (Ef or Vt versus If) from this information

+

Vdc

If

Vt

If – amperemeter DCVt – voltmeter AC

Short-circuit test • Adjust the field current to zero and short-circuit the

terminals of the generator through a set of ammeters. • Record the armature current Isc as the field current is

increased. • Such a plot is called short-circuit characteristic.

A

A+

Vdc

If

Isc

then

If the stator is Y-connected, the per phase stator resistance is

If the stator is delta-connected, the per phase stator resistance is

DC Test– The purpose of the DC test is to determine Ra. A variable DC

voltage source is connected between two stator terminals. – The DC source is adjusted to provide approximately rated stator

current, and the resistance between the two stator leads is determined from the voltmeter and ammeter readings

DCDC

DC

VRI

2DC

aRR

DCa RR23

Menentukan Reaktansi sinkron (Xs)

• For a particular field current IfA, the internal voltage Ef (=VA) could be found from the occ and the short-circuit current flow Isc,A could be found from the scc.

• Then the synchronous reactance Xs could be obtained using

IfA

Ef or Vt (V) Air-gap lineOCC

Isc (A)

SCC

If (A)

Vrated

VA Isc,B

Isc, A

IfB

scA

fAunsat,saunsat,s I

EVXRZ

22

22aunsat,sunsat,s RZX

scA

oc,t

scA

funsat,s I

VIE

X

: Ra is known from the DC test.

Since Xs,unsat >> Ra,

Xs under saturated condition

scB

fratedsat,sasat,s I

EVXRZ 22

At V = Vrated,

22asat,ssat,s RZX

IfA

Ef or Vt (V) Air-gap line

OCCIsc (A)

SCC

If (A)

Vrated

VA

Isc,B

Isc, A

IfB

Short-circuit Ratio (SCR)Another parameter used to describe synchronous generators is the short-circuit ratio (SCR). The SCR of a generator defined as the ratio of the field current required for the rated voltage at open circuit to the field current required for the rated armature current at short circuit. SCR is just the reciprocal of the per unit value of the saturated synchronous reactance calculated by

.u.pinX

II

SCR

sat_s

Iscrated_f

Vrated_f

1

Ef or Vt (V) Air-gap line

OCC

Isc (A)

SCC

If (A)

Vrated

Isc,rated

If_V rated If_Isc rated

Standar SCR1. Mesin sinkron kutub silindris

SCR = 0,50 s/d 1

2. Mesin sinkron kutub tonjolSCR = 1 s/d 1,4

SCR menentukan keadaan phisik mesin sinkron

SCR >> , berarti Xs kecil :

• permeabilitas magnet (μ) inti besi kecil• celah udara antara stator dan rotor besar• tingkat kejenuhan inti besi besar

CONTOH

A 200 kVA, 480-V, 60-Hz, 4-pole, Y-Connected synchronous generator with a rated field current of 5 A was tested and the following data was taken.

a) from OC test – terminal voltage = 540 V at rated field current

b) from SC test – line current = 300A at rated field currentc) from DC test – DC voltage of 10 V applied to two

terminals, a current of 25 A was measured.

1. Calculate the speed of rotation in r/min2. Calculate the generated emf and saturated equivalent

circuit parameters (armature resistance and synchronous reactance)

Solusi1. fe = electrical frequency = Pnm/120fe = 60Hz P = number of poles = 4nm = mechanical speed of rotation in r/min. So, speed of rotation nm = 120 fe / P

= (120 x 60)/4 = 1800 r/min

2. In open-circuit test, Ia = 0 and Ef =Vt

Ef = 540/1.732 = 311.8 V (as the machine is Y-connected)

In short-circuit test, terminals are shorted, Vt = 0Ef = IaZs or Zs = Ef /Ia =311.8/300=1.04 ohm

From the DC test, Ra=VDC/(2IDC)

= 10/(2X25) = 0.2 ohmSynchronous reactance

2,

2, satsasats XRZ

02.12.004.1 2222,, asatssats RZX

Ia

EfVt

j1.02 0.2+

+

Problem

A 480-V, 60-Hz, Y-Connected synchronous generator, having the synchronous reactance of 1.04 ohm and negligible armature resistance, is operating alone. The terminal voltage at rated field current at open circuit condition is 480V.

1. Calculate the voltage regulation 1. If load current is 100A at 0.8 PF lagging2. If load current is 100A at 0.8 PF leading3. If load current is 100A at unity PF

2. Calculate the real and reactive power delivered in each case.

3. State and explain whether the voltage regulation will improve or not if the load current is decreased to 50 A from 100 A at 0.8 PF lagging.

ProblemA 480 V, 60 Hz, Y-connected, four pole synchronous generator has the OCC shown below. This generator has a synchronous reactance of 0.1 ohm and armature resistance of 0.015 ohm. At full load, the machine supplies 1200 A and 0.8 pf lagging. Under full-load conditions, the friction and windage losses are 40 kW, and the core losses are 30 kW. Ignore field circuit losses.

a) What is the speed of rotation of the generator?b) How much field current must be supplied to the generator to make the

terminal voltage 480 V at no load?c) If the generator is now connected to a load and the load draws 1200 A at 0.8

pf lagging, how much field current will be required to keep the terminal voltage equal to 480 V?

d) How much power is the generator now supplying? How much power is supplied to the generator by the prime-mover? What is the machine’s overall efficiency?

e) If the generator’s load were suddenly disconnected from the line, what would happen to its terminal voltage?

Problem

A 100-MVA, 12.5-kV, 0.85 power lagging, 50 Hz, two-pole, Y-connected, synchronous generator has a pu synchronous reactance of 1.1 and pu armature resistance of 0.012.

a) What are its synchronous reactance and armature resistance in ohms?

b) What is the magnitude of the internal voltage Ef at the rated conditions? What is its load angle d at these conditions?

c) Ignoring losses in the generator, what torque must be applied to its shaft by the prime-mover at full load?

Problem A three-phase, Y-connected synchronous generator is rated 120 MVA, 13.2 kV, 0.8 power lagging, and 60 Hz. Its synchronous reactance is 0.9 ohm and its armature resistance may be ignored.

a) What is its voltage regulation at rated load?b) What would the voltage and apparent power rating of this

generator be if it were operated at 50 Hz with the same armature and field losses as it had at 60 Hz?

c) What would the voltage regulation of the generator be at 50 Hz?

Sistem Penguatan (excitasi) Generator Sinkron

1. Generator Sinkron 1 Fasa

2. Generator Sinkron 3 Fasa

• Tanpa sumber DC (aki/baterai)• Dengan sumber DC (aki)

Sistem Penguatan (excitasi) Generator Sinkron 1 fasa

Schematic arrangement of a brushless exciter

brushless exciter

brushless generator

Standar Tegangan Generator Sinkron 3 Fasa

Daya Tegangan Keluaran< 3 MVA 220, 380 V

3 MVA 3,30 kV

5 – 10 MVA 6,60 kV

10 - 50 MVA 11 kV

50 – 100 MVA 13,20 kV

> 100 MVA 16,50 kV

Tegangan penguat medan (DC) (110 – 220 - 400 V)

Kapasitas daya dc = 2 % x daya output

Perubahan beban listrikpada generator Sinkron

Perubahan beban listrik

Perubahan Tegangan out put (V)

Perubahan Frekuensi (f)

jangkararus/bebanarusItanKonnCE

)XjR(IEV

a

saa

Tegangan output :

Arus beban berubah, maka tegangan output juga berubah

V

Ia

V = ....??

Perubahan Frekuensi :60np

fe

Mengapa putaran (n) berubah ?

Karena adanya Torsi lawan generator sinkron

Arus beban berubah, maka frekuensi juga berubah

Perubahan beban terhadap perubahan putaran (n)

dtd.JTT gp

Tp - Torsi mesin penggerak mekanik (diesel)Tg - Torsi lawan generator sinkron J - Momen inersia

rotorputarannn

2

Ia

Terima Kasih