Setelah kita membahas di
sini
mengenai konstruksi dari suatu generator sinkron, maka artikel kali ini
akan membahas mengenai prinsip kerja dari suatu generator sinkron. Yang
akan menjadi kerangka bahasan kali ini adalah pengoperasian generator
sinkron dalam kondisi berbeban, tanpa beban, menentukan reaktansi dan
resistansi dengan melakukan percobaan tanpa beban (beban nol), percobaan
hubung-singkat dan percobaan resistansi jangkar.
Seperti telah
dijelaskan pada artikel-artikel sebelumnya, bahwa kecepatan rotor dan
frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh suatu generator sinkron
berbanding lurus. Gambar 1 akan memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah
generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu
lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a
dan a’.
Untuk dapat lebih mudah memahami, silahkan lihat animasi prinsip kerja generator, di
sini.
Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub.
Lilitan
seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan terpusat”, dalam generator
sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa yang
terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan
terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fluks
medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam
satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).
Bila
kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk
frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan
rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per
detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P
kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus
tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai
sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk
generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing
terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah
udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada
gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi
sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan
seimbang besarnya fluksi sesaat :
ΦA = Φm. Sin ωt
ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° )
ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub
Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut adalah:
ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka besar- besarnya fluks total adalah:
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos (φ – 240°)
Dengan memakai transformasi trigonometri dari :
Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ),
maka dari persamaan diatas diperoleh :
ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt + φ – 240° )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°)
Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima
akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat
fluksi total sebesar, ΦT = ¾ Φm. Sin ( ωt - Φ ) Weber .
Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan
sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing fasa adalah :
E maks = Bm. ℓ. ω r Volt
dimana :
Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla)
ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber)
ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s)
r = Radius dari jangkar (meter)