Menjaga Frekuensi Dan Tegangan Pada Generator Sinkron

 

Alternator (Synchronous Generator)

Generator sinkron atau biasa juga disebut alternator, merupakan sebuah mesin yang dapat mengubah daya mekanik menjadi daya listrik ac (alternating current). Oleh karena daya listrik yang dihasilkan adalah ac, mesin ini terkadang secara umum disebut sebagai generator ac. Contoh dari generator sinkron adalah mesin generator pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), tenaga air (PLTA atau PLTMH), tenaga angin (PLTB), tenaga gas bumi (PLTGB), mesin generator set (genset), alternator pada kendaraan bermotor (mobil dan sepeda motor), dan lain-lain.

 

Alternator secara garis besar terdiri dari 3 bagian, yaitu prime mover, rotor dan stator. Prime mover adalah penggerak utama atau sumber energi mekanik, berfungsi untuk memutar shaft generator atau memutar rotor. Prime mover dapat berupa steam turbine, water turbin, gas turbine, mesin diesel, gasoline engine, wind turbine, dan lain-lain. Bagian kedua yaitu rotor, merupakan bagian yang berputar pada generator sinkron. Rotor berfungsi sebagai sumber medan magnet dan memiliki belitan yang disebut field coil. Field coil disuplai arus dc (direct current/bolak balik), sehingga menimbulkan medan magnet statis pada sekitar rotor. Apabila rotor diputar oleh prime mover, medan magnet yang awalnya diam akan menjadi berputar, menghasilkan medan putar (medan magnet dinamis). Bagian ketiga adalah stator, yaitu bagian dari generator yang diam. Stator merupaka belitan yang disebut armature coil. Medan magnet putar yang dihasilkan rotor, akan menyebabkan induksi tegangan listrik pada armature coil, sehingga terjadilah konversi energi mekanik dari prime mover menjadi energi listrik pada terminal stator.

 

Dalam menjaga stabilitas daya listrik yang dihasilkan, sistem kontrol sebuah generator sinkron haruslah dapat menjaga frekuensi dan tegangan keluaran pada terminal outputnya. Bagaimana cara menjaga frekuensi dan tegangan pada generator sinkron? Dan bagaimana pengaruh variasi beban pada generator sinkron terhadap performa frekuensi dan tegangannya? Semua itu akan kami bahas dalam artikel ini.

 

Frekuensi Dan Kecepatan Generator Sinkron

 

Seperti yang telah kami singgung, prime mover menggerakkan shaft generator, yang berarti pula menggerakkan bagian rotor pada kecepatan putar tertentu, dan kita akan sebut sebagai n (dalam satuan revolusi per menit, rpm). Kecepatan putar rotor ini berbanding lurus dengan frekuensi listrik yang dihasilkan, mengikuti persamaan berikut ini.

 

F          = (n x P) / 120

 

Dimana F adalah frekuensi listrik yang dihasilkan (Hz), n adalah kecepatan putar shaft/rotor (rpm), dan P adalah jumlah kutub pada rotor (jumlah poles).

 

Dari persamaan diatas, setiap generator sinkron atau alternator, kita dapat memastikan kecepatan mesin berdasarkan frekuensi kerja mesin. Misalnya, bila generator menghasilkan frekuensi 50 Hz, dan memiliki 4 poles, maka dapat dipastikan kecepatan mesin adalah 1500 rpm. Contoh lain, bila generator bekerja pada frekuensi 50 Hz, dan memiliki 12 poles, maka kecepatan kerja mesin adalah 500 rpm.

 

Semakin banyak jumlah pole, semakin rendah kecepatan rotor yang diperlukan untuk menghasilkan frekuensi listrik yang sama. Itulah sebabnya, pada prime mover dengan sumber daya low speed, seperti turbin air, turbin angin, cenderung selalu menggunakan generator dengan jumlah pole yang banyak (8 pole, 12 pole, atau lebih). Sebaliknya, pada prime mover dengan sumber daya high speed, seperti mesin diesel, turbin uap, turbin gas, cenderung menggunakan generator dengan jumlah pole sedikit (2 pole atau 4 pole).

 

Dari persamaan tersebut pula, karena jumlah pole adalah tetap (sesuai desain mesin), maka, perubahan kecepatan prime mover, selalu berarti perubahan frekuensi listrik yang dihasilkan. Semakin cepat kecepatan rotor, semakin tinggi frekuensi yang dihasilkan, begitu juga sebaliknya. Oleh karena itu, pada sistem prime mover, umumnya terdapat sistem bernama Governor, dimana fungsinya adalah untuk mengontrol frekuensi output dengan cara mengontrol kecepatan prime mover. Set point dalam governor sistem adalah frekuensi yang diinginkan ketika generator dalam kondisi tidak berbeban, misalnya 50 Hz atau 60 Hz.

 

Tegangan dan Flux Magnet Generator Sinkron

 

Medan magnet (flux magnet) dihasilkan oleh suplai arus dc pada rangkaian field coil, yang terpasang pada bagian rotor. Dalam hukum fisika, bila dalam sebuah medan magnet yang bergerak, terdapat kawat konduktor, maka akan muncul tegangan induksi pada kawat tersebut. Itulah mengapa, ketika field coil di aliri arus dc (arus field), maka akan timbul medan magnet atau flux magnet statis (diam) disekitar rotor. Kemudian ketika rotor berputar digerakkan oleh prime mover, flux magnet menjadi bergerak atau berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan rotor. Flux magnet yang berputar disekitar rotor ini, akan menyebabkan induksi tegangan pada armature coil (belitar stator), sehingga generator akan menghasilkan daya listrik. Tegangan induksi yang dihasilkan pada stator, akan berbanding lurus dengan kecepatan rotor dan besarnya flux magnet yang dihasilkan oleh arus field, sesuai dengan persamaan berikut.

 

E          = K x Φ x ω

 

Dimana E adalah tegangan induksi pada stator (V), K adalah konstanta yang nilainya dipengaruhi oleh konstruksi mesin, Φ adalah besarnya flux magnet (Wb), dan ω adalah kecepatan sudut (angular) rotor (rad/s).

 

Perhatikan bahwa dari persamaan diatas, semakin besar flux magnet, maka semakin besar tegangan yang dihasilkan. Begitu juga sebaliknya. Besarnya flux magnet tergantung dari besarnya arus eksitasi (arus field), yaitu arus dc yang menyuplai rangkaian field coil di dalam rotor. Umumnya arus field ini dapat dikontrol nilainya dengan adanya variable resistor yang dipasang seri dengan field coil. Kemudian, semakin tinggi kecepatan putar rotor, tegangan yang dihasilkan akan semakin tinggi pula, begitu juga sebaliknya. Namun, pada praktiknya, seperti yang sudah kita bahas, kecepatan akan mempengaruhi nilai frekuensi, sehingga umumnya kecepatan rotor akan selalu dijaga tetap untuk mempertahankan frekunsi listrik.

 

Untuk menjaga nilai tegangan yang dihasilkan generator konstan, umumnya generator sinkron dilengkapi dengan komponen voltage regulator atau automatic voltage regulator (AVR). AVR akan menerima atau mendeteksi tegangan output generator, dan mengontrol besarnya arus dc (arus field) yang menyuplai belitan rotor (field coil). Bila tegangan output lebih rendah dari set pointnya, maka AVR akan memperbesar arus dc tersebut, sehingga memperbesar flux magnet, dan hasilnya tegangan keluaran generator akan meningkat. Sebaliknya bila tegangan output lebih tinggi dari set pointnya, maka AVR akan memperkecil arus eksitasi tersebut.

 

Pengaruh Variasi Beban Pada Generator Sinkron

 

Variasi beban akan berpengaruh pada perubahan tegangan yang dihasilkan oleh generator sinkron. Dalam sistem kelistrikan, kita mengenal 3 jenis beban, yang pertama adalah beban inductive (lagging power factor), yang kedua adalah beban resistive (unity power factor), dan yang ketiga adalah beban capasitive (leading power factor).

 

Pada saat generator sinkron dibebani dengan beban inductive, maka sudut fasa arus akan tertinggal oleh sudut fasa tegangan (lagging power factor). Beban inductive berarti beban mengonsumsi daya reaktif, sehingga generator akan menyuplai daya reaktif (+Q). Semakin besar daya reaktif yang disuplai (semakin besar beban inductive-nya), akan menyebabkan penurunan nilai tegangan output generator secara signifikan. Pada kasus power factor lagging, AVR akan memperbesar suplai arus eksitasi/arus dc/arus field pada rangkaian field coil dalam rotor, untuk mempertahan (meningkatkan) nilai tegangan sesuai nominalnya.

 

Pada saat generator sinkron dibebani dengan beban resistive, maka sudut fasa arus dan sudut fasa tegangan akan bernilai sama (unity power factor). Pada kondisi beban resistive, daya reaktif akan bernilai 0. Semakin besar daya beban resistif yang diberikan pada generator sinkron, akan menyebabkan sedikit penurunan nilai tegangan outputnya. Pada kasus power factor unity, AVR akan sedikit memperbesar suplai arus eksitasi/arus dc/arus field pada rangkaian field coil dalam rotor, untuk mempertahan nilai tegangan sesuai nominalnya.

 

Pada saat generator sinkron dibebani dengan beban capasitive, maka sudut fasa arus akan mendahului sudut fasa tegangan (leading power factor). Beban capasitive  berarti beban menyuplai daya reaktif, sehingga generator akan mengonsumsi daya reaktif (-Q). Semakin besar daya reaktif yang dikonsumsi (semakin besar beban capasitive-nya), akan menyebabkan peningkatan nilai tegangan output generator secara signifikan. Pada kasus power factor leading, AVR akan memperkecil suplai arus eksitasi/arus dc/arus field pada rangkaian field coil dalam rotor, untuk mempertahan (menurunkan) nilai tegangan sesuai nominalnya.

 

Hubungan Frekuensi Dan Daya Aktif

 

Semakin besar daya aktif (real power) yang disuplai oleh generator sinkron kepada beban, akan menyebabkan penurunan kecepatan shaft rotor, yang berarti pula menyebabkan penurunan nilai frekuensi listrik yang dihasilkan. Oleh karena itu, sistem prime mover akan membutuhkan governor yang berfungsi menjaga frekuensi nominal generator. Ketika generator dibebani dengan beban yang semakin besar, dan terjadi penurunan frekuensi dan kecepatan, langkah yang dapat dilakukan adalah dengan memperbesar set point governor, sehingga governor akan meningkatkan kecepatan prime mover, dan frekuensi listrik yang dihasilkan akan meningkat pula. Apabila terjadi sebaliknya, misalnya dalam kasus terjadi pengurangan beban, maka set point governor dapat diturunkan untuk menurunkan frekuensi.

 

Hubungan Tegangan Dan Daya Reaktif

 

Semakin besar daya reaktif (reactive power) yang disuplai oleh generator sinkron kepada beban, akan menyebabkan penurunan tegangan output. Oleh karena itu, generator sinkron atau alternator akan membutuhkan automatic voltage regulator (AVR) yang berfungsi menjaga tegangan nominal generator. Ketika generator dibebani dengan beban inductive yang semakin besar, dan terjadi penurunan tegangan, AVR akan memperbesar arus field sebagaimana yang sudah kami jelaskan sebelumnya. Apabila terjadi sebaliknya, misalnya dalam kasus terjadi peningkatan beban capasitive, maka AVR akan memperkecil arus field.

 

Demikian penjelasan dari kami tentang konsep menjaga frekuensi dan tegangan pada generator sinkron. Sebagai informasi tambahan, umumnya dalam kenyataan, beban listrik mayoritas akan bersifat inductive (lagging power factor), dan hal ini dapat menyebabkan rendahnya nilai power factor (PF) dan menimbulkan kualitas daya yang buruk, seperti drop tegangan tinggi dan arus listrik menjadi lebih besar untuk besaran beban yang sama. Untuk mengatasi masalah ini, kita dapat menggunakan capacitor bank untuk memperbaiki PF dan kualitas daya sistem kelistrikan. Bila kalian berminat mempelajari tentang solusi ini, kalian dapat membaca artikel kami dengan judul “Menghitung Kebutuhan KVAR Capasitor Bank”.

 

Penulis : ER

 

Share this post