Elektromekanis Dalam Sistem Tenaga (bagian I)

1.1 Gaya Gerak Listrik

Apabila sebuah konduktor dengan panjang efektif ℓ digerakkan tegak lurus sejauh ds dan memotong suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor tersebut adalah[3]: 
d = Bℓds (1.1)
Dari hukum faraday, diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl) dinyatakan dengan:

e =  (1.2) 

atau, 
e =  (1.3)

dan jika ds/dt = v = kecepatan, maka:

e = Bℓv (1.4)

Persamaan (1.4) dapat diartikan bahwa apabila dalam medium medan magnet diberikan energi mekanik untuk menghasilkan kecepatan (v), maka akan dibangkitkan energi listrik (e), dan ini merupakan prinsip dasar dari generator. Arah gaya gerak listrik ini ditentukan oleh aturan tangan kanan, dimana ibu jari, telunjuk dan jari tengah saling tegak lurus, dengan ibu jari menunjukan arah kecepatan (v), telunjuk menunjukan arah kerapatan fluks (B) dan jari tengah menunjukan arah energi listrik (e).

Gambar 1.1 Generator yang dihubungkan dengan sebuah beban

Bila konduktor tersebut, dalam hal ini sudah merupakan sebuah rangkaian generator, kemudian dihubungkan dengan beban, misalnya suatu tahanan (R), seperti tampak pada gambar 1.1, maka pada konduktor tersebut akan mengalir arus listrik (I) atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik. Arus listrik (I) yang mengalir pada konduktor tadi, merupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B). interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerak mekanik yang di berikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, energi mekanik yang yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi.

1.2 Karakteristik Mesin Sinkron

Suatu mesin sinkron dengan kumparan medan 4 kutub, kumparan jangkarnya terdiri atas 2 kumparan yaitu a1, -a1 dan a2, –a2 seperti tampak pada gambar 1.2. kedua kumparan tersebut bila dihubungkan secara seri akan berbentuk seperti gambar 1.3.


Gambar 1.2 Mesin sinkron dengan kumparan medan 4 kutub.


Gambar 1.3 Hubungan seri kumparan jangkar mesin sinkron 4 kutub.

Kerapatan fluks B yang ditimbulkan akibat berputarnya kumparan medan akan berbentuk sinusoida terhadap ruang (sebagai fungsi ruang, bukan sebagai fungsi waktu). Sehingga distribusi fluks B terhadap ruang digambarkan terlihat pada gambar 1.4.


Gambar 1.4 Grafik sinusoidal antara kecepatan rotor ω dan θ.

Pada mesin empat kutub seperti pada gambar 1.2, terlihat bahwa setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang di timbulkan sudah menyelesaikan dua siklus penuh, atau dengan kata lain 360° perputaran mekanik sama dengan 720° perputaran listrik, karena itu secara umum dapat dituliskan sebagai berikut[3]:
(1.5)

dimana:
p = jumlah kutub
 = sudut listrik
 = sudut mekanik

Dari persamaan (1.5) diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan yang dihasilkan, mesin akan menyelesaikan kali putaran. Karena itu frekuensi gelombang tegangan adalah:
f =  (1.6)

dimana:
n = rotasi per menit (rpm)

Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan:
rpm (1.7)

Jadi misalkan untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50 Hz dan mempunyai jumlah kutub dua (p = 2), maka kecepatan putaran mesin tersebut adalah: