PELAJARAN 5 PENJANA SEGERAK TIGA FASA

OBJEKTIF PELAJARAN Setelah tamat mengikuti pelajaran ini, anda sepatutnya dapat

• Memahami asas pembinaan penjana segerak • Memahami konsep belitan angkir

• Menentukan parameter-parameter penjana segerak

• Memodelkan penjana segerak dan menilai prestasi keadaan mantap

• Memahami konsep penjana segerak di sambung ke bas infinit dan konsep

penyegerakkan

• Menganalisis prestasi penjana berpandukan carta prestasi 5.1 PENGENALAN Penjana segerak tiga fasa digunakan oleh industri kuasa elektrik untuk membekal kuasa tiga fasa dan juga satu fasa ke penggunanya. Penjana segerak adalah punca utama bagi kesemua tenaga elektrik yang kita gunakan. Mesin-mesin ini adalah penukar tenaga yang paling besar boleh di dapati di dunia. Penjana segerak di gunakan secara meluas dalam menghasilkan tenaga elektrik. Seperti kebanyakan mesin-mesin putaran, mesin segerak juga boleh di kendalikan sebagai penjana dan motor. Bagi saiz yang besar (iaitu dalam beberapa ratusan dan ribuan kiloWatt), motor segerak digunakan sebagai pam di stesen janaelektrik, dan bagi saiz yang kecil pula (iaitu dalam pecahan kuasa kuda), ia digunakan pada alat-alat yang memerlukan kelajuan tetap, seperti jam elektrik. Mesin segerak berputar pada kelajuan malar pada keadaan mantap. Kelajuan ini di sebut ‘kelajuan segerak’. Kelajuan segerak berhubung dengan frekuensi, arus stator dan bilangan kutub-kutub magnet rotor. Perhubungan ini di ungkapkan dalam persamaan berikut: pns = 120f (5.1) di mana ns ialah kelajuan segerak, p ialah bilangan kutub dan f ialah frekuensi. Di Malaysia, frekuensi bekalan di tetapkan pada 50 Hz. Oleh itu jenis rotor dan bilangan kutub yang di perlukan bergantung pada kadaran kelajuan; sebagai contoh, penjana yang di kendalikan pada 1500 ppm, memerlukan empat bilangan kutub. 5.2 BINAAN ASAS MESIN ELEKTRIK

124

Mesin segerak terdiri dari dua bahagian yang asas iaitu: i. STATOR – bahagian pegun ii. ROTOR – bahagian berputar Rajah 5.1 menunjukkan struktur asas mesin segerak tiga fasa.

Rajah 5.1 Struktur asas mesin segerak tiga fasa

Stator Stator mesin segerak tiga fasa mempunyai belitan teragih tiga fasa yang serupa dengan mesin aruhan tiga fasa. Berlainan dari mesin arus terus, belitan stator yang di sambung ke sistem bekalan arus ulangalik di sebut belitan angkir. Ianya di reka untuk arus dan voltan tinggi. Stator mesin segerak mengandungi teras berlapisan dan mempunyai set lubangalor yang membawa belitan tiga fasa (lihat Rajah 5.2). Rotor Rotor mempunyai belitan yang di sebut belitan medan. Belitan medan pada struktur rotor di bekalkan dengan punca arus terus luaran melalui gelang arus dan berus untuk menghasilkan fluks magnet. Penjana segerak boleh di klasifikasikan kepada dua jenis. Pertama adalah jenis kelajuan rendah (pacuan injin atau air) dan yang kedua adalah penjana-turbo yang menggunakan wap tarbin sebagai penggerak utama.

125

Rajah 5.2 Stator Mesin Segerak

Rotor Silinder (Cylindrical) Rotor jenis ini digunakan pada penjana turbo yang di pacu oleh wap tarbin. Wap tarbin adalah kecil dan lebih efficien apabila di gerakkan pada kelajuan yang tinggi. Bagi penjana turbo yang dikendali pada 1500 ppm atau 3000 ppm, masing-masing memerlukan 4 atau 2 bilangan kutub, 50 Hz. Rotor silinder atau kutub tanpa unjuran mempunyai belitan teragih dan sela udara yang sekata. Rotornya adalah panjang dan mempunyai garis pusat yang kecil (Lihat Rajah 5.3). Rotor Kutub Menonjol (Salient Pole) Rotor kutub menonjol mempunyai belitan padat pada kutub-kutub dan sela udara yang tidak sekata. Penjana kutub menonjol mempunyai bilangan kutub yang banyak (iaitu lebih dari dua pasang kutub) dan dikendali pada kelajuan rendah. Penjana segerak yang terdapat pada stesen kuasa hidro elektrik adalah jenis kutub menonjol dan di pacu oleh tarbin air. Rotornya adalah pendek tetapi mempunyai garis pusat yang besar seperti dalam Rajah 5.4. Penguja Ujaan a.t boleh di bekal dengan penjana a.t luaran atau penerus. Dalam kes ini, sambungan dari belitan medan di sambung ke gelang penebat yang di letak sepusat pada aci. Penyentuh pegun yang di panggil berus akan membawa arus ke belitan medan putaran dari bekalan a.t. Berus-berus tersebut di perbuat daripada kompaun carbon untuk memberi penyentuhan yang baik serta geseran mekanik yang rendah. Penjana a.t luaran yang digunakan untuk membekal arus medan di sebut penguja. Untuk mesin kelajuan-rendah dengan kadaran yang tinggi, seperti penjana hidroelektrik, kemungkinan penguja yang di gunakan bukan jenis ujaan kendiri. Sebaliknya ; penguja utama (pilot exciter), samada jenis ujaan-kendiri atau pun magnet kekal, akan di gunakan sebagai penguja. (lihat Rajah 5.5).

126

Rajah 5.3 Mesin Segerak Rotor Selinder

Rajah 5.4 Mesin Segerak Rotor Menonjol

127

Rajah 5.5 Rajah skematik penjana segerak dengan penguja at

Bentuk alternatif ujaan adalah dengan menggunakan diod silicon dan thyristor yang tidak mengujudkan masalah ujaan untuk mesin-mesin segerak yang besar. Dua jenis sistem ujaan solid-state adalah : (a) sistem statik yang mempunyai diod atau thyristor pegun, dimana arus di

bekal ke rotor melalui gelang-gelincir. (b) sistem tanpa berus yang mempunyai penerus pada aci dan berputar dengan

rotor, ini mengelakkan keperluan berus dan gelang gelincir. (Lihat Rajah 5.6a & b)

Rajah 5.6a Rajah menunjukkkan komponen-komponen utama penguja tanpa berus

Rajah 5.6b Sistem penguja tanpa berus yang biasa

128

Palang Perendam Setakat ini kita telah menyatakan hanya dua belitan elektrik mesin segerak: belitan angkir tiga fasa dan belitan medan. Kita juga telah menerangkan bahawa pada keadaan mantap, mesin bergerak pada kelajuan mantap, iaitu, pada kelajuan segerak. Walaubagaimana pun, seperti jenis-jenis mesin yang lain, mesin segerak akan mengalami ubahtika ketika keadaan permulaan dan keadaan tidak normal. Ketika ubahtika, rotor akan mengalami ayunan mekanik dan kelajuan akan melencung dari kelajuan segerak; iaitu satu fenomena yang tidak dikehendaki. Untuk mengatasi ini, set-set belitan tambahan, yang menyerupai sangkar motor aruhan, di letakkan pada rotor. Belitan ini di sebut belitan perendam dan di tunjukkan pada Rajah 5.7a dan 5.7b. Apabila kelajuan rotor berbeza dari kelajuan segerak, arus akan teraruh dalam belitan perendam. Bila arus mengalir, tork akan terhasil pada belitan perendam dan akan mengembalikan motor pada kelajuan segerak. Pada keadaan normal, tiada arus yang akan mengalir dalam belitan tersebut.

Rajah 5.7 (a) kutub menonjol dengan lima palang perendam dilitar pintaskan oleh

hujung gelang; (b) perwakilan skematik belitan perendam bagi rotor dua kutub

5.3 BELITAN ANGKIR Stator mesin a.u yang normal mengandungi beberapa gegelung dalam setiap fasa, yang diagihkan dalam lubangalor mengelilingi permukaan dalam stator. Dalam mesin-mesin yang besar, setiap gegelong adalah unit prabentuk yang mengandungi bilangan pusingan di mana setiap pusingan di tebat dari yang lain dan dari sisi stator itu sendiri. Voltan-voltan dalam setiap pusingan dawai adalah sangat kecil dan hanya dengan menambahkan bilangan pusingan sesiri, maka voltan-voltan yang tinggi dapat dihasilkan. Ruangan dalam darjah diantara lubangalor-lubangalor yang bersebelahan pada stator di sebut rentang lubangalor bagi stator. Jarak lubangalor boleh di nyatakan samada dalam darjah mekanik atau elekrik

2p*mekanikelektrik θθ = (5.2)

dimana p adalah bilangan kutub.

129

Kecuali dalam mesin-mesin yang sangat kecil, gegelong stator selalunya di bentuk dalam dua lapisan. Belitan dua lapisan selalunya mudah di buat dan mempunyai penyambung hujung yang mudah dari belitan satu lapisan. Maka belitan dua lapisan adalah kurang mahal jika dibina berbanding dengan belitan satu lapisan. Rajah 5.8 menunjukkan belitan penuh bagi mesin yang mempunyai dua kutub. Dalam belitan ini, terdapat empat gegelung yang bersekutu dengan setiap fasa. Kesemua sisi-sisi gegelung bagi fasa yang di beri diletakkan dalam lubangalor yang bersebelahan dan sisi-sisi ini disebut talipinggang fasa (phase belit) atau kumpulan fasa. Terdapat enam talipinggang fasa pada stator dua kutub ini. Pada amnya, terdapat 3p talipinggang fasa pada stator yang mempunyai p-kutub. Rajah 5.9 menunjukkan belitan agihan menggunakan gegelung rentang pecahan/rentang pendek/rentang perentas. Perhatikan bahawa belitan ini masih mempunyai talipinggang fasa, tetapi fasa-fasa gegelung diantara lubangalor individu bercampur. Rentang gegelung tersebut adalah 5/6 atau 150oe.

Rajah 5.8 Belitan dua lapisan – gegelung rentang penuh

Rajah 5.9 Belitan dua lapisan – gegelung rentang pendek

130

5.4 FAKTOR-FAKTOR BELITAN Agihan dan rentang gegelung akan mengakibatkan voltan teraruh didalam gegelung tersebut. Antara dua faktor yang akan di bincangkan disini adalah; i) faktor agihan Kd, juga di kenali sebagai ‘breath factor’ dan ii) faktor rentang Kp, juga dikenali sebagai faktor perentas Faktor Agihan Kd

Jika kesemua gegelung bagi sesuatu belitan di letakkan didalam satu lubangalor (iaitu belitan padat), voltan-voltan teraruh didalam gegelung adalah sefasa, maka voltan belitan-belitan tersebut adalah jumlah hisab voltan-voltan gegelung individu. Jika gegelung diagihkan sepanjang beberapa lubangalor dalam ruang (belitan teragih), voltan-voltan teraruh adalah jumlah fasor bagi voltan-voltan gegelung. Faktor agihan Kd ditakrifkan sebagai;

gegelungvoltanvoltanhisabJumlahgegelungvoltanvoltanfasorJumlahKd −

−= (5.3)

Katakan

α = sudut diantara dua lubangalur-lubangalur yang bersebelahan n = lubangalur-lubangalur per kutub per fasa, iaitu lubangalur-lubangalur

per talipinggang fasa Faktor agihan boleh di tentukan dengan membina rajah fasor voltan-voltan gegelung. Katakan n = 3. Rajah 5.10 menunjukkan voltan-voltan gegelung fasor RS, ST dan TU dimana setiap satu adalah perentas bagi sesuatu bulatan dimana titik tengahnya O dan merentas (subtends) pada sudut α dititik O. Jumlah fasor RU mewakili voltan paduan belitan, merentas pada sudut nα dititk tengah O. Dari persamaan 5.3 dan Rajah 5.10.

( )( )

( )( )α/2nn

α/2nsin

)4.5(/2αsinORn/2nαsinOR

nRyRxn(2Ry)

2Rxn(RS)RUKd

=

=

=

=

=

Faktor Rentang Kp Bagi gegelung rentang pendek dimana gegelung di rentangkan kurang daripada satu rentang kutub, voltan yang teraruh adalah kurang dari voltan yang akan di aruh jika rentang gegelung adalah rentang kutub penuh. Kp ditakrifkan sebagai :

131

penuhrentanggegelungdidalamteraruhvoltanpendekrentanggegelungdidalamteraruhVoltanKp = (5.5)

Rajah 5.11 menunjukkan voltan yang teraruh dalam gegelung rentang penuh dan gegelung rentang pendek. Rentang gegelung bagi gegelung rentang pendek adalah 180o - ; iaitu, pendek dari gegelung rentang penuh sebanyak . Voltan gegelung e

oγ oγc (rentang penuh) adalah;

ec = e1 + e2 (secara vector) (5.6)

Rajah 5.10 Voltan-voltan gegelong dalam belitan teragih

Bagi gegelung rentang penuh, kedua-dua e1 dan e2 adalah maksimum pada ketika yang sama. Walau bagaimana pun, bagi gegelung rentang pendek, apabila e1 maksimum, e2 tidak maksimum. Fenomena ini boleh diwakili dalam rajah fasor seperti yang di tunjukkan dalam Rajah 5.11b. Bagi gegelung rentang pendek, fasor E2 bagi voltan-voltan e2 di fasa anjakkan dengan sudut dari fasor Eoγ 1 untuk voltan e1. Dari persamaan dan Rajah 5.11b dan dengan menganggapkan E1 = E2 = E,

2/cosE2

2/cosE2K p

γ

γ

=

= (5.7)

Faktor Belitan Kw

Jika gegelung belitan diagihkan di beberapa lubangalur dan gegelung adalah rentang pendek, voltan yang teraruh didalam belitan akan di pengaruhi oleh kedua-dua faktor Kd dan Kp. Faktor belitan adalah;

Kw = Kd * Kp (5.8)

132

e2 Ec gegelung rentang penuh

0γ0γ

Ec

E1

E20γ

gegelung rentang pendek

E1 E2

e1

00180 γ− γ

ec

gegelung rentangpendek

18001800e1

ec

e2

gegelung rentangpenuh

(a) (b)

Rajah 5.11 Voltan gegelong bagi gegelong rentang penuh dan rentang pendek Contoh 5.1 Sebuah penjana segerak mempunyai 12 kutub dan belitan stator tiga fasa di letakkan didalam 144 lubangalor, rentang gegelung adalah 10 lubangalor. Tentukan faktor agihan Kd, faktor rentang Kp dan fakotr belitan Kw = Kd * Kp. Penyelesaian Bilangan lubangalor per kutub per fasa

( )( )

( )( )

958.02/15sin42/154sin

2/sinn/2nsin

dK

5.4persamaanDari

1534

180mn

180lubangalordiantaraelektrikSudut

4123

144kutubfasa

lubangalorn

=×

×==

=×

=×

=

=×

=×

=

αα

α o

Rentang kutub adalah 144 / 12 = 12 lubangalor Rentang gegelong dalam sudut elektrik adalah

elektriksudut150180kutubrentang

gegelongrentangp =×= o

Daripada persamaan 5.7,

133

0.9250.966 0.958KKKbelitanFaktor

966.02

30cosK

pdw

p

=×=×=

==o

adalah faktor dimana voltan terjana dikurangkan 5.5 VOLTAN TERARUH PADA SET GEGELUNG TIGA FASA Jika tiga gegelung, setiap satu mempunyai Nc pusingan, diletakkan disekeliling medan magnet rotor, voltan-voltan yang teraruh didalamnya akan mempunyai magnitud yang sama tetapi dianjakkan sebanyak 120 . Jumlah voltan-voltan dalam setiap gegelung itu adalah;

o

tsinωωN(t)E caa φ=′ (5.9)

( )o120ωtsinωNc(t)Ebb −=′ φ (5.10) ( )o240tωsinωNc(t)Ecc −=′ φ (5.11)

Dari itu, set arus tiga fasa boleh menjana putaran medan magnet yang sekata didalam stator mesin dan putaran medan magnet sekata boleh menjana set voltan-voltan tiga fasa didalam stator. 5.6 VOLTAN PMKD DALAM STATOR TIGA FASA Voltan puncak per fasa adalah:

ωφcmak NE = (5.12) Oleh kerana φω=2πf , persamaan ini boleh juga ditulis seperti;

φπ f2NE cmak = (5.13) Dari itu voltan ppkd bagi sebarang fasa stator adalah;

φcpmkd

cpmkd

cpmkd

4.4fNE

φπfN2E

2/fφπ2NE

=

=

=

(5.14)

dimana f adalah frekuensi dalam hertz. Voltan pmkd pada pangkalan-pangkalan mesin bergantung pada bentuk sambungan stator, samada sambungan bintang atau delta. Jika mesin disambung dalam bentuk bintang, voltan pengkalan adalah √3 kali Epmkd, dan jika disambung delta, voltan pengalannya adalah Epmkd.

134

Contoh 5.2 Tentukan voltan berkesan terjana dalam salah satu fasa penjana segerak. Data-data berikut diberi : f = 50 Hz, pusingan per fasa Nc = 230, dan fluks maksimum per kutub adalah φ = 0.04 wb. Penyelesaian

V/fasa245004.02305044.4

fN4.4E c

=×××== φ

Bagi sambungan Y penjana tiga fasa, ini akan memberi voltan talian-ke talian Vtalian = 2450 ×√3 = 4244 V Persamaan diatas beranggapan bahawa belitan-belitan tiga fasa adalah rentang penuh dan belitan padat. Pada belitan rentang penuh, kedua-dua sisi bagi setiap gegelung diletakkan dalam lubangalor yang anjakkannya sebanyak 180 darjah elektrik. Belitan padat mempunyai pengalir-pengalir bagi setiap belitan fasa yang diletakkan dalam satu pasang lubangalor sahaja. Pada mesin sebenar, gegelung-gegelung bagi setiap belitan angkir di agihkan diantara beberapa lubangalor dengan sisi gegelung dalam lubangalor yang sepadan dan anjakkannya kurang dari 180 darjah elektrik. Ini menyebabkan voltan terjana adalah kurang kerana voltan teraruh dalam gegelung tidak lagi dalam fasa masa. Maka, jumlah fasor voltan-voltan gegelong adalah kurang dari belitan padat. Oleh itu, bagi mesin-mesin yang mempunyai belitan teragih dan rentang pecahan, faktor pengurangan Kw diperkenalkan. Nilainya diantara 0.85 ke 0.95. Persamaan 5.14 diubah seperti berikut:

φcpmkd fNKw4.44E = (5.15) 5.7 LITAR SETARA MESIN ROTOR SELINDER Voltan Ea adalah voltan terjana dalaman yang dihasilkan pada satu fasa apabila pangkalannya dibuka, atau pada keadaan tanpa beban. Walau bagaimanapun, voltan Ea bukanlah voltan Vt yang diukur pada pangkalan apabila penjana membekal arus stator ke beban elektrik. Apabila tiada beban di sambung ke pangkalan penjana, medan magnet rotor Fr, akan mengaruh voltan dalaman Ea. Oleh kerana tiada arus stator pada keadaan tanpa beban, voltan pangkalan Vt bersamaan dengan Ea. Anggap faktor kuasa beban mengekor dan disambung ke pangkalan penjana. Arus stator Ia yang mengekor voltan dalaman Ea akan mengalir. Arus ini yang mengalir dalam belitan stator atau angkir menghasilkan medan putaran segerak Fs pada kelajuan sudut sama seperti medan magnet rotor Fr. Medan magnet stator akan mengaruh voltan kedua Ea dalam belitan stator. Oleh kerana Ea telah dihasilkan oleh arus angkir, maka ia disebut voltan tindakbalas angkir.

135

Kedua-dua medan magnet Fs dan Fr berputar pada halaju sudut yang sama. Jadi, voltan teraruh Es dan Ea masing-masing mempunyai frekuensi sudut yang sama. Oleh itu, kedua-duanya boleh dicantumkan atau dicampurkan sebagai fasa untuk memberi voltan paduan Et.

Et = Ea + Es (5.16) Voltan paduan ini boleh juga dianggap sebagai voltan dalaman teraruh oleh medan magnet bersih Ft dalam sela udara, iaitu jumlah medan magnet stator dan rotor. Ft = Fr + Fs (5.17) Voltan-voltan dan arus-arus fasor dan pelbagai medan-medan magnet ditunjukkan dalam Rajah 5.12.

Rajah 5.12 Voltan-voltan dan medan magnet penjana segerak

Voltan tindakbalas angkir Ear adalah berkadar terus dengan amaun arus stator yang mengalir, dan ia menyusul arus stator Ia sebanyak 90 . Maka Eo

ar boleh diungkapkan sebagai susut voltan : Ear = - jXar Ia (5.18) di mana Xar adalah angkatap/malar berkadaran. Oleh itu voltan paduan atau bersih boleh diungkapkan seperti berikut : Et = Ea – jXar Ia (5.19) Persamaan 5.19 boleh dikenalpasti sebagai persamaan voltan Kirchoff bagi litar di beri pada Rajah 5.13. Dalam penjana segerak yang sebenar, medan magnet paduan atau bersih yang wujud pada sela udara sebenarnya tidak dikaitkan sepenuhnya oleh belitan angkir. Sebahagian dari fluk magnet yang tidak berkait dengan belitan dirujuk sebagai fluks bocor alφ . Fluks bocor ini menyebabkan susut voltan melintanginya dan disebut regangan bocor Xal. Belitan stator juga mengandungi rintangan Ra yang akan menyebabkan susut pada rintangan angkir. Rintangan Ra adalah rintangan berkesan dan dianggarkan 1.6 kali nilai rintangan at belitan stator. Rintangan berkesan termasuk kesan dari suhu kendalian dan kesan kulit yang disebabkan oleh arus

136

ulangalik yang mengalir melalui belitan angkir. Maka, litar setara keseluruhannya boleh ditunjukkan seperti dalam rajah 5.14 Jika kedua-dua regangan Xar dan Xal dicantumkan di dalam satu regangan, maka, litar setara yang baru boleh di lihat seperti pada rajah 5.15, dimana; Xs = Xar + Xal (regangan segerak) (5.20) Zs = Ra + jXs (galangan segerak) (5.21) Litar setara ini berdasarkan pada nilai per fasa.

jXar

Ea

Ia

+

-

+

-

Et

Rajah 5.13 Litar setara dalaman

jXar

Ea

+

-

+

-

Et

+

-

Vt

jXalRa Ia

Rajah 5.14 Litar Setara Keseluruhan

jXs

Ea

Ra

+

-

Ia

+

Vt

-

Rajah 5.15 Litar setara penjana segerak Rajah fasa yang menunjukkan perhubungan di antara fasor yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 5.16 bagi penjana segerak yang membekal beban pada faktor kuasa menyusul.

137

Ea

Vt

IaIaRa

jIaXs

Rajah 5.16 Rajah fasa penjana segerak rotor selinder

5.8 PENENTUAN REGANGAN SEGERAK (XS) Regangan segerak adalah parameter yang mustahak dalam litar setara mesin segerak. Regangan ini boleh ditentukan dengan menjalani dua ujian; ujian litar buka dan ujian litar pintas. Ujian Litar Buka Rajah 5.17 menunjukkan litar bagi ujian litar buka. Mesin segerak di pacu pada kelajuan segerak, dan voltan pangakalan (talian-ke-talian) pada tanpa beban atau pada litar buka diukur bagi nilai arus medan yang berubah. Lengkok yang menunjukkan perubahan Ea/Vt dengan If dikenali sebagai lengkok pemagnetan, atau lengkok ketepuan, atau ciri litar buka (CLB, lihat Rajah 5.17) mesin segerak. Perhatikan bahawa sebaik sahaja arus medan diubah, litar magnet menunjukkan kesan-kesan ketepuan. Garisan lurus yang tangen dengan CLB disebut garisan sela udara; ia memberi nilai voltan terjana jika ketepuan tidak wujud. Ujian Litar Pintas Susunan litar bagi ujian ini ditunjukkan seperti dalam Rajah 5.17. Jangkampiar disambung pada setiap fasa dan pangkalannya di litar pintaskan. Mesin segerak di pacu pada kelajuan segerak. Jika bacaan arus litar pintas diambil dan dilakar bagi nilai arus medan yang berbeza, lakaran tersebut di panggil ciri litar pintas (CLP). Perhatikan bahawa CLP adalah satu garisan lurus. Ini di sebabkan pada keadaan litar pintas, litar magnet tidak tepu oleh kerana fluks sela udara kekal pada tahap yang rendah. Fakta ini boleh diterangakan seperti berikut. Litar senilai pada keadaan litar pintas ditunjukkan dalam Rajah 5.18b. Oleh kerana Ra<< Xs, arus angkir Ia mengekor voltan ujaan Ea hampir ke 90o. Daya gerak magnet, Fa, tindakbalas angkir berlawanan dengan dgm medan Ff dan paduan dgm Fr adalah kecil. Ini dapat dilihat seperti dalam Rajah 5.18b. Oleh itu litar magnet kekal pada keadaan tidak tepu walaupun kedua-dua If dan Ia adalah besar. Perhatikan juga litar setara pada Rajah 5.18a di mana voltan sela udara adalah Er = Ia (Ra + jXa1). Oleh kerana kedua-duanya, Ra dan Xa1 adalah kecil pada arus terkadar, nilai voltan sela udara adalah 20% dari voltan terkadar. Jika mesin masih berada pada tahap tidak tepu, voltan ujaan Ea akan bertambah secara lelurus dengan arus If di sepanjang garisan sela udara. Maka arus angkir akan bertambah secara lelurus dengan If.

138

V Ef

AIf

A

A

A

Ia

AIf

(a) (b)

Rajah 5.17 Ciri-ciri litar buka dan litar pintas (a) litar untuk ujian litar buka (b) litar

untuk ujian litar pintas (c) ciri-ciri

ErEf

X ar X al R a I a

Vt = 0 Ft

Ff

Fa

Ia

Ea(a)

(b) Rajah 5.18 Kendalian litar pintas penjana segerak

139

Regangan Segerak Tidak Tepu Regangan ini boleh diperolehi dari voltan talian sela udara dan arus litar pintas mesin bagi suatu nilai arus medan yang tertentu. Dari Rajah 5.17

sabada

tepu)(tidaks jXRI/)3

E(Z +== (5.22)

Jika Ra diabaikan, maka

bada

tepu)(tidaks I/)3

E(X = (5.23)

Regangan Segerak Tepu Regangan segerak boleh juga di perolehi dari Rajah 5.17c dengan mengambil voltan pangkalan terkadar (talian-ke-talian) yang diukur pada CLB dan membahagikan dengan arus yang di baca dari CLP yang sepadan dengan arus medan yang menghasilkan voltan pangkalan terkadar. Maka,

pintas)(litara)t(terkadar

s(tepu) I/)3

V(X = (5.24)

Pengaturan Voltan Pengukuran prestasi penjana segerak boleh di ukur dengan menentukan pengaturan voltan Pengaturan voltan di takrifkan seperti berikut:

( )

100%*V

VVvoltan

bp

bptbPengaturan−

= (5.25)

di mana Vtb = voltan pada litar buka, atau keadaan tanpa beban Vbp = voltan terkadar, atau keadaan beban penuh Voltan beban penuh adalah sama dengan voltan pangkalan Vt, dan Vtb adalah sama dengan voltan terjana Ea yang sepadan. Maka, pengaturan voltan boleh diungkapkan sebagai

( )

100%*V

VEavoltanPengaturan

t

t−= (5.26)

Contoh 5.3 Kadaran sebuah penjana segerak, 3 fasa, sambungan wye, dua kutub adalah 300 kVA, 480 V, 50 Hz dan faktor kuasa 0.8 menyusul. Ciri-ciri litar buka dan litar pintas di beri seperti dalam Jadual 5.1 a. Tentukan regangan segerak tidak tepu b. Tentukan regangan segerak tepu pada keadaan terkadar

140

Penyelesaian Ciri-ciri litar buka dan litar pintas dilakar dalam Rajah 5.19 Jadual 5.1 Ciri-ciri Penjana Bagi contoh 5.3

If CLB (VTT)

Garisan SU (VTT)

CLP (A)

1.0 120 2.0 240 3.0 340 4.0 430 5.0 480 600 360 6.0 520 7.0 540 8.0 550 9.0 555 10.0 560

a. Regangan segerak tidak tepu diperolehi dengan menggunakan voltan talian-

ketalian yang diukur dari garisan sela udara dan arus litar pintas yang sepadan dengan arus medan If = 5.0 A; maka,

Xs,tidak tepu = (600/ /3)360 = 0.962 Ohm per fasa

b. Regangan segerak tepu diperolehi dengan menggunakan voltan pengkalan

terkadar (talian-ke-talian) seperti di ukur dari CLB dan arus litar pintas sepadan dengan arus medan If = 5.0 A; maka,

Xs,tepu = (480//3)/360 = 0.770 Ohm per fasa

Rajah 5.19

141

Contoh 5.4 Kirakan peratus voltan pengaturan bagi sebuah penjana segerak tiga fasa, sambungan- wye, 20 MVA, 13.8 kV berkendali pada keadaan beban penuh atau terkadar dan faktor kuasa 0.8 mengekor. Regangan segerak adalah 8 Ohm per fasa, dan rintangan angkir boleh diabaikan. Penyelesaian Voltan terkadar 13.8 kV selalunya diberi sebagai voltan talian-ke- talian. Voltan pangkalan perfasa di ambil sebagai rujukan fasa; maka,

Vt/fasa = 13.8 kV/√3 ∠0o = 7967∠0o V Voltan terjana di kira seperti berikut :

neutral)ke(talian1.24125,13)8j0()9.367.836(07967

)jX(RIVE saata

−−∠=

+−∠+∠=

++=

Vooo

Oleh kerana arus stator Ia = 0 pada tanpa beban, maka .EV atb = Oleh itu, peratus voltan pengaturan dikira seperti berikut :

%7.64%1007967

7967-13,125

100%Vt

VtEavoltanPengatoran

=×=

×−

=

5.9 PENJANA DI SAMBUNG KE BAS INFINIT Dalam stesen penjanaan dan pencawang, palang kuprum atau aluminium yang berat yang bersambung dengan beberapa litar dalam selari di sebut basbar. Maka, penjana segerak yang disambung ke sistem, disambung ke ‘bas’ yang mengandungi tiga fasa pengalir yang berat. Jika sistem itu dibayangkan sangat besar dan ia boleh menyerap kesemua kuasa yang dikeluarkan oleh sesebuah penjana atau membekal kesemua kuasa yang diperlukan oleh mesin itu (sebagai motor) tanpa perubahan frekuensi sistem dan voltan pada pengkalan mesin, kita katakan bahawa mesin itu disambungkan ke bas infinit. Ciri-ciri kuasa regangan-voltan dan kuasa-frekuensi bagi sistem demikian di tunjukkan dalam Rajah 5.20. Apabila disambungkan ke sistem yang besar, penjana segerak mempunyai ciri-ciri kendalian seperti berikut : 1. Kelajuan ditentukan oleh sistem frekuensi 2. Voltan pangkalan adalah voltan bas 3. Faktor kuasa ditentukan oleh arus medan 4. Banyaknya kuasa terjana ditentukan oleh penggerak utama. Kelajuan

penggerak utama adalah tetap, tetapi torknya boleh diubah. Ini boleh di

142

lakukan dengan mengubah ciri-ciri penguasa laju (governor) supaya ia boleh membekal kuasa yang lebih atau kurang pada kelajuan segerak.

f

diserap

- +

P kWdibekal

Vt

diserap

- +

QkVArdibekal

Rajah 5.20 Lengkok pengkalan voltan lawan kuasa regangan dan frekuensi lawan

kuasa bagi bas infinit 5.10 PENYEGERAKAN PENJANA Kita kadangkala perlu menjodohkan dua atau lebih penjana selari untuk membekal beban yang umum. Sebagai contoh, bila keperluan kuasa dari sistem pada waktu siang bertambah, penjana-penjana disambung ke sistem untuk membekal kuasa yang di perlukan. Kemudian apabila keperluan kuasa berkurangan, penjana-penjana tertentu akan dipisahkan daripada sistem sehingga kuasa sekali lagi bertambah pada hari berikutnya. Penjana-penjana selalunya disambung dan dipisahkan dari kuasa grid yang besar, mengikut kehendak pengguna. Mengapakah penjana-penjana segerak dikendalikan dalam selari? Terdapat beberapa kebaikan kendalian tersebut; 1. Beberapa penjana boleh membekal beban yang besar berbanding dengan

satu mesin dengan sendirinya. 2. Dengan mempunyai beberapa penjana, ia boleh menambah keboliharapan

sistem kuasa oleh kerana kegagalan salah satu dari penjana-penjana tersebut tidak akan menyebabkan kehilangan jumlah kuasa ke beban

3. Dengan mempunyai beberapa penjana yang dikendalikan dalam selari, kerja-

kerja penyelenggaran berjadual dapat di jalankan terhadap satu atau lebih penjana dengan memisahkan dari sistem

4. Jika satu sahaja penjana digunakan dan tidak dikendalikan pada keadaan

hampir beban penuh, maka mesin tersebut menjadi kurang efficien. Tetapi jika beberapa penjana yang kecil dan cuma sebahagian daripada mesin tersebut dikendali pada keadaan hampir beban penuh, maka mesin-mesin tersebut adalah lebih efficien.

143

Penjana mestilah di segerakkan sebelum di sambung ke sistem (atau di selarikan dengan penjana yang lain). Penjana dikatakan telah di segerak apabila memenuhi kesemua syarat-syarat berikut: i) frekuensi penjana hendaklah sama dengan frekuensi sistem ii) voltan penjana hendaklah sama dengan voltan sistem iii) voltan penjana hendaklah sefasa dengan voltan sistem iv) turutan fasa hendaklah sama Untuk menyegerakkan penjana, kita perlu melakukan seperti berikut : i) selaraskan pengatur kelajuan tarbin supaya frekuensi penjana berhampiran

dengan frekuensi sistem ii) selaraskan pengujaan supaya voltan penjana sama dengan voltan sistem (iii) Perhatikan sudut fasa diantara penjana dan sistem dengan menggunakan

sinkroskop (lihat Rajah 5.21). Alat ini mempunyai petunjuk yang menunjukkan sudut fasa diantara voltan penjana dan voltan sistem. Secara praktik, apabila kita menyegerakkan penjana, penunjuk di sinkroskop berputar perlahan-perlahan mengikut sudut fasa diantara penjana dan sistem. Jika frekuensi penjana lebih tinggi dari sistem, penunjuk akan berputar mengikut arah jam. Ini menunjukkan bahawa penjana mempunyai kebolehan mendulu frekuensi sistem. Sebaliknya, jika frekuensi penjana kurang dari frekuensi sistem, ia akan berputar mengikut arah lawan jam. Jadi apabila penunjuk pada sinkroskop menyeberangi sifar atau berada pada pukul 12.00, pemutus litar akan ditutup dan penjana telah disambung ke sistem.

Rajah 5.21 Sinkroskop

Di dalam stesen penjanaan yang moden, penyegerakkan dilakukan dengan secara automatik. Satu set lampu penyegerakan boleh digunakan untuk memastikan samada syarat-syarat yang tersebut di atas sudah dipenuhi. Di dalam makmal, set-set lampu tersebut boleh digunakan untuk tunjuk ajar apa yang berlaku jika syarat-syarat tidak dipenuhi. Rajah 5.22 menunjukkan rajah skematik penyegerakan penjana segerak dengan bas infinit menggunakan lampu penyegerakan. Apakah yang akan berlaku pada lampu-lampu apabila syarat-syarat tersebut tidak di penuhi ?

144

Rajah 5.22 Rajah skemtaik penyegerakkan penjana segerak dengan bas infinit

menggunakan lampu-lampu penyegerakkan Katakan :

EA, EB, EC mewakili voltan fasor bas infinit, Ea, Eb, Ec mewakili voltan fasor penjana masukan dan

EAa, EBb, ECc mewakili voltan fasor penjana menyegerakkan. i) Voltan-voltan tidak sama, tetapi frekuensi dan turutan fasa sama Merujuk pada Rajah 5.23a, kedua-dua set voltan fasor iaitu EA, EB, EC dan Ea, Eb, Ec berputar pada kelajuan yang sama. Voltan pada lampu-lampu EAa, EBb, ECc mempunyai magnitud yang sama. Oleh itu, kesemua lampu akan menyala dengan keamatan yang sama. Maka arus medan If hendaklah diubah supaya voltan-voltan adalah sama. ii) Frekuensi-frekuensi tidak sama, tetapi voltan dan turutan fasa sama Merujuk pada Rajah 5.23b, kedua-dua set voltan fasor berputar pada kelajuan yang berlainan; iaitu bergantung pada frekuensi. Anggapkan bahawa voltan-voltan fasa adalah sefasa ketika t = t1. Pada ketika ini, voltan melintangi lampu-lampu adalah sifar, maka kesemua lampu itu menjadi gelap. Jika f1 > f2 pada ketika t = t2, fasor EA, EB, EC akan bergerak kehadapan dari fasor Ea, Eb, Ec. Voltan-voltan yang sama akan wujud melintangi ketiga-tiga lampu dan ia akan menyala dengan keamatan yang sama. Keamatan lampu-lampu akan berubah dari gelap ke terang jika frekuensinya berbeza. Untuk mendapatkan frekuensi-frekuensinya sama, maka kelajuan hendaklah diubah sehingga kecerahan lampu menjadi gelap. Perhatikan bahawa apabila kelajuan mesin masukan diubah, voltan-voltannya juga akan berubah. Oleh itu, perubahan serentak haruslah dilakukan di antara arus medan If dan kelajuan supaya dapat mengekalkan voltan-voltan yang sama. (iii) Turutan fasa tidak sama, tetapi voltan dan frekuensi sama

145

Katakan turutan fasa bagi voltan-voltan sistem adalah EA, EB, EC dan bas masukan adalah Ea,Eb, Ec. Merujuk pada Rajah 5.23c, voltan yang melintangi lampu-lampu mempunyai magnitud yang berbeza, maka lampu-lampu itu juga akan menyala dengan keamatan yang berbeza. Jika frekuensi bagi kedua-duanya berbeza sedikit, satu set voltan fasor akan melintangi set voltan fasor yang lain, maka lampu-lampu akan gelap dan terang dengan tidak teratur. v) Fasa tidak sama, tetap frekuensi, turutan fasa dan voltan sama Kedua-dua set voltan fasor akan mengekal beza fasa yang mantap dan lampu-lampu akan menerang dengan keamatan yang sama. Supaya fasa atau beza fasa menjadi sifar, maka frekuensi bagi mesin masukan diubah sedikit. Pada beza fasa sifar, kesemua lampu-lampu akan gelap, dan jika pemutus litar ditutup, maka mesin masukan akan disambung ke bas infinit. Sebaik sahaja mesin disambung ke bas infinit, kelajuannya tidak boleh diubah lagi, sementara pemindahan kuasa sahih dari mesin ke bas infinit boleh dikawal dengan mengubah kuasa pengerak utama. Kuasa regangan boleh dikawal dengan mengubah arus medan Gambarajah Fasa Rajah di bawah menunjukkan gambarajah satu garisan sebuah penjana segerak yang disambung ke bas infinit. Rintangan angkir diabaikan kerana anggapan demikian adalah munasabah dalam praktik. Gambarajah fasanya adalah seperti dalam Rajah 5.24. Sudut δ diantara fasa Ef dan Vt dikenali sebagai sudut beban dan bergantung pada kuasa masukan dari aci. Dari rajah fasa, kuasa yang dihantar ke bas infinit V adalah

fasapercosVIP φ= (5.27) Dengan menggunakan Rajah 5.24 dan hukum sin

)28.5(fasa/wattsδsinXVEP

δsinXEVcosVI

δsinXEcosI

δsinIX

)(90sinE

s

s

s

s

=

=

=

=+

φ

φ

φ

Persamaan ini menunjukkan perhubungan yang penting bagi kuasa yang di hantar dari mesin segerak. Ini boleh ditunjukkan seperti dalam Rajah 5.25 yang juga dikenali sebagai rajah kuasa sudut sesebuah penjana.

146

EA

EAa

Ea

Eb

EB

EcECcEC

EBb

EA

EBEC

Ea

EbEcKetika t = t1

ECc

Ec

EC

Ea

EAa

EA

Eb

EBb

EB

Ketika t = t2

EA

ECc

EBb

Ec

Eb

EC

EAa

Ea

EB

EA

Eb EBb

ECc

EC

EAa

Ea

EB

Ec

(a)

(b)

(c) (d) Rajah 5.23 Voltan fasa bagi mesin masukan dan bas infinit

Xs

Ia

Vtbasinfinit

Ef

Ef

IaXs

Vt

Ia Rajah 5.24 Rajah satu garisan dan gambarajah fasa Pada sudut δ = 90o , terdapat kuasa maksimum yang dihantar oleh mesin ke sistem. Jika δ lebih besar dari 90 , untuk memperolehi kuasa yang lebih dari Po

mak, pertambahan δ akan menyebabkan pengurangan kuasa keluaran dan seterusnya mesin menjadi tidak stabil dan hilang penyegerakkan.

147

Jika kuasa keluaran penjana ditambah dengan pertambahan yang kecil dan voltan tanpa beban dikekalkan malar, had kesetabilan akan berlaku pada sudut δ = 90 dan had ini dikenali sebagai had kestabilan keadaan mantap. Terdapat satu lagi had kestabilan yang disebabkan oleh kerosakan, dan dikenali sebagai had kestabilan ubahtika.

P

Pmak

δo90=δ Rajah 5.25 Ciri-ciri P (Kuasa) melawan Sudut δ

Penjana Menghantar Kuasa Malar Ke Bas Infinit Diketahui bahawa P = VI Cos c. Oleh kerana bas infinit, maka V adalah malar dan P malar boleh diperolahi jika Ia Cos φ malar. Ia Cos φ adalah komponen Ia yang sefasa dengan voltan pada bas. Tiga keadaan berbeza yang akan memperolehi keadaan ini di tunjukkan seperti dalam Rajah 5.26 dibawah.

londar kuasa malar

faktor kuasa uniti

IaXs

Ia Vt

EfIaXs

Vt

Ia

faktor kuasa menyusul

Ef

Ia

Vt

faktor kuasa menduluIaXs

Rajah 5.26 Rajah fasa penjana menghantar kuasa malar ke bas infinit tetapi dengan

berlainan ujaan

148

Dalam kes ini, kuasa malar boleh di perolehi dengan mengubah daya gerak elektrik mesin. Perubahan Bmak dicapai dengan mengubah arus medan. Sudut δ dan faktor kuasa akan berubah. Penjana Dengan Ujaan Malar Dalam kes ini, kuasa (VI Cos φ ) akan berubah Magnitud E adalah malar oleh kerana ujaan malar dan V masih lagi malar. Bila kuasa dari penjanaan berubah, kedua-dua Sudut δ dan faktor kuasa akan berubah dengan amplitud arus.

I2

V1

II

I2 Xs

E2

II Xs

E1londar ujaan malar

Rajah 5.27 Ujian malar

Contoh 5.5 Sebuah penjana segerak tiga fasa, sambungan bintang, 500 kVA, 6.6 kV mempunyai regangan yang bernilai 3.6 Ohm per fasa dan rintangan boleh diabaikan. Kira voltan litar buka untuk ujaan yang diperlukan ketika membekal beban penuh pada faktor kuasa 0.8 menyusul. Penjana di sambung ke bas infinit yang bervoltan 6.6 kV. Jika bekalan wap ke penjana ditetapkan, kira; (a) arus dan faktor kuasa apabila ujaan dinaikkan supaya nilai voltan buka 10%

lebih tinggi dari voltan litar buka diatas. (b) arus dan faktor kuasa apabila ujaan dikurangkan ke nilai yang paling minima

dan masih lagi dalam keadaan stabil Dengan menetapkan nilai voltan ujaan per fasa bersamaan dengan 4920 Volt, kira arus dan faktor kuasa apabila; (i) kuasa keluaran maksima sebelum terkeluar dari penyegerakkan (ii) kuasa keluaran bersamaan 8000 kW Penyelesaian

149

o

o

ooo

bp

IZVEI

VoltkVVfasa

AkVkVAVSI

82.14492013.531575003811

906.39.3643703811

9.364379.368.0cos

38113/6.6

4376.63/50003/

01

1

∠=

∠+∠=

∠×−∠+∠=

+=−∠=

−=−=

==

=

×==

−

o

oφ

Volt

EE talian

852249203

3 00

=×=

×=

Apabila voltan dinaikkan sebanyak 10%

012

12

2

2s

1

002

13.50.23Sinδ

54123811340003.6Sinδ

δSin3.6

541238113

4000

δSinX

EVP

Volt5412

49201.1E1.1E

==

×××

=

×=

=

=

×=×

−

−

φφφ

Daripada persamaan oo 90XI0VδE 22 ∠∠+∠=∠ φ

0.656kuasaFaktor534.4Arus

48.97534.4903.6

0381113.55412I

0

0

0

2

==

−∠=

∠∠−∠

=∠o

φ

b) Apabila arus ujaan dikurangkan ke nilai yang paling minima, o90=δ

Daripada persamaan P = δSinXEV

s

150

( ) ( )

11153.6

4013I

Volt401338111260XI

Volt1260Sin90381133.6400

VSin90PXE

3

2233

03

==

=

−=

=××

×=

=

o

o

0.314cos71.718.2690

18.2638111260tan

VE

tanβ

3

3

1

031

==−=

==

=

−

−

φφ ooo

o

Untuk mendapatkan arus dan faktor kuasa ketika E0 = 4920 dan P = Pmak

IXs

E = 4920

90=δ φ θ

( ) 0.795290coscos

5238114920tanθ

1728A3.6

6223I

49203811IX 22s

=−=

==

==

+=

o

o

φ

Pada ketika P = 8000 kW

o300.51sinδ3811492033.6108

EVPX

δsin

1

6s

==

××××

==

−

Daripada persamaan

151

0.98410.4coscos694AI

10.4694903.6

O381130492090Xs

OVδEI

90XsIOVE

===

−∠=

∠∠−∠

=

∠∠−∠

=

∠∠+∠=∠

φ

φ

o

o

oo

o

o

ooδ

5.11 LENGKOK KEMAMPUAN (CAPABILITY CURVE) Gambarajah kemampuan adalah lakaran kuasa majmuk S = P + jQ. Ianya diterbitkan dari gambarajah fasor penjana, dengan anggapan V adalah malar pada voltan terkadar mesin. Jika Rajah 5.27 dilukis semula dan diluaskan sedikit ia akan menjadi seperti Rajah 5.28 dibawah.

londar IXs= MVA,pusat O

londar E malar, pusat O's

O qO'

I

Rajah 5.28 Rajah fasa penjana segerak Rajah 5.28 menunjukkan rajah fasor penjana segerak yang dikendali pada faktor kuasa mengekor dan voltan terkadar. Daya gerak elektrik yang sepadan dengan ujaan medan di perolehi dari campuran fasor V dan IXs. Bagi arus malar iaitu keluaran volt-ampiar malar, londar IXs adalah satu bulatan yang berkadar dengan MVA malar. Pada rajah tersebut, segmen menegak sq mempunyai panjang XsIcosφ , dan segmen mendatar Oq mempunyai panjang XsI sinφ . Keluaran kuasa sahih penjana adalah

P = 3V Icos φ (5.29) Keluaran kuasa regangan adalah

Q = 3V Isin φ (5.30)

152

dan keluaran kuasa ketara

S = 3VI (5.31) Gambarajah voltan fasor (Rajah 5.28) boleh diubah ke gambarajah kuasa dengan mendarabkan faktor (V/Xs) untuk satu fasa atau (3V/Xs) ke tiga fasa, maka; Os berkadar dengan 3VI atau MVA ps berkadar dengan 3V Isinφ atau MV Ar sq berkadar dengan 3V Icos φ atau MW Pada paksi voltan, asalan gambarajah fasor adalah –V pada paksi mendatar, maka asalan pada gambarajah kuasa adalah pada

( )

s

2s

X3VQ

VX3VQ

−=

−=

(5.32)

kW

S = 3VIa

P = 3VIa Cos

kVArQ=3VIa SinO

DE=3EaV/Xs

O'

Rajah 5.29 Rajah Kuasa

Arus medan berkadar dengan fluks mesin, dan fluks berkadar dengan EA = Kφ ω . Jarak yang sepadan dengan EA pada gambarajah kuasa adalah

s

A

XV3ED =E (5.33)

Arus angkir Ia berkadar dengan XsIa, dan jarak yang sepadan dengan XsIa pada gambarajah kuasa adalah 3VI. Lengkok kemampuan penjana segerak ditunjuk dalam Rajah 5.30. Ianya adalah lakaran P melawan Q, dengan kuasa sahih P pada paksi menegak dan kuasa regangan Q pada paksi mendatar. Garisan-garisan arus angkir malar Ia adalah garisan-garisan malar S = 3VI, dimana bulatan sepusat mengelilingi asalan O. Garisan-garisan arus medan malar yang sepadan dengan garisan-garisan malar E, yang ditunjukkan sebagai bulatan yang mempunyai magnitud 3EV/Xs berpusat pada titik O’.

153

s

2

X3VQ −= (5.34)

Contoh 5.6 Bagi sebuah mesin yang kecil, 60MW, bina carta kemampuan berdasarkan pada parameter-parameter mesin seperti berikut : Faktor kuasa = 0.8, 75 kVA, 11.8 kV, Xs = 2.94 Ohm/fasa, 300 ppm dan arus penguja maksimum = 2.5 pu Penyelesaian Apabila ujaan dan seterusnya E dikurangkan ke sifar, arus menyusul V sebanyak 900 dan bersamaan dengan

2317A2.9431011.8

XV 3

s

=×

×=

VAR mendulu sepadan dengan MVAr472.94

1011.8 62

=×

P(MW)0.8 fk menyusul

MVAr

E=1pu

E=2pu

OO'

Rajah 5.30 Carta Prestasi Pembinaan Rajah (i) Lukis O’ O mengikut sekil, x cm = 47 MVAr (ii) Dengan O sebagai pusat dan sekil yang sama, lukis bulatan yang mempunyai

jejari bersaman dengan beban MVA (iii) Dengan O’ sebagai pusat, lukis bulatan untuk memberi garisan-garisan ujaan

malar (dengan sekil yang sama) (iv) Garisan faktor kuasa boleh di lukis dengan O sebagai pusat

154

5.12 MESIN SEGERAK KUTUB UNJURAN Mesin segerak berbilang kutub, kelajuan rendah mempunyai kutub menonjol dan sela udara yang tidak sekata. Dalam perbincangan yang terdahulu, kita telah menganalisis mesin rotor silindrikal dan telah menggunakan sepenuhnya parameter mesin, yang kita sebut regangan segerak. Disebabkan oleh ketonjolan, regangan yang diukur pada pengkalan mesin rotor menonjol akan berubah sebagai fungsi kedudukan rotor. Ini tidak terdapat pada mesin segerak rotor silindrikal oleh kerana sela udara sekata. Engganan magnetnya adalah rendah pada kutub-kutub dan tinggi diantara kutub-kutub. Oleh sebab itu, dgm tindakbalas angkir akan menghasilkan lebih fluks jika ia berada di sepanjang paksi kutub, dipanggil paksi-d, dan kurang fluks jika ia berada pada paksi di antara kutub-kutub., disebut paksi-q. Kita boleh takrifkan regangan segerak paksi-d dan paksi-q, Xd dan Xq bagi mesin segerak kutub-menonjol. Maka untuk kendalian penjana, kita boleh melukis gambarajah fasa seperti yang di beri pada Rajah 5.31. Perhatikan bahawa Ia telah diselesaikan dalam komponen-komponen paksi-d dan –q, Id dan Iq. Dengan bantuan gambarajah fasa ini, kita perolehi

( ) ( )( )φφ

φφ

+==+

+=+=

δδδ

cosXIaXIsins

cosIIδsinII

qqq

aqad

Dari sini kita dapat

φφ sinδsinXIδcosXIδsinV qaqat −= atau

( ) φφ δcoscosXIsinδsinXIV qaqat =+ Bahagi kedua belah dengan δcos dan selesaikan untuk tan δ memberikan

φφ

δsinXIV

cosXItan

qat

qa

+=

dan

E = Vt cos δ + Ia Xd

Pengatoran voltan = 100%*V

VE

t

t−

Sebenarnya, gambarajah fasa ini menggambarkan ciri-ciri prestasi yang lengkap bagi mesin. Sekarang gunakan Rajah 5.31 untuk menerbitkan ciri-ciri kuasa-sudut penjana kutub menonjol. Jika rintangan angkir diabaikan φcosIV atdP = . Sekarang, dari Rajah (5.31), unjuran Ia pada Vt adalah

155

δδφ sinIcosIcosIVP

dqat

d +== (5.35)

Selesaikan

δδ cosVEXIndsinVXI tddtqq −== a untuk Iq dan Id, dan gantikan dalam (5.37) memberi

δδ 2sinX 1

X 1

2V

sinXEV

Pdq

21

d

td

−+= (5.36)

Persamaan (5.36) boleh juga dibentuk untuk motor rotor menonjol, graf bagi (5.36) di beri dalam Rajah (5.32). Perhatikan bahawa bagi Xd = Xq = Xs, persamaan (5.36) berubah pada persamaan rotor silindrikal

jXqIq

Ea

Vt

Iq

Id Iaδ

jXdId

Rajah 5.31 Gambarajah fasa bagi penajan segerak kutub menonjol

Rajah 5.32 Lengkok kuasa-sudut penjana segerak kutub menonjol

156

RUMUSAN Setelah selesai mempelajari matapelajaran ini, rumusan berikut dapat di buat • Pembinaan stator motor aruhan dan penjana segerak adalah sama, hanya

bahagian rotor yang membezakan nya. Penjana segerak adalah mesin ujaan dwi.

• Stesen penjanaan moden menggunakan ujaan tanpa berus kerana kurang

penyelenggaraan dan belitan perendam di gunakan untuk mengatasi keadaan tidak normal

• Pengiraan parameter penjana segerak dapat di kira dari ujuan litar buka,

ujian litar pintas dan ujian arus terus. • Terdapat empat syarat yang perlu di penuhi sebelum penyegerakkan di

lakukan. Pada stesen kuasa yang moden, penyegerakkan di lakukan secara otomatik

• Menghitung nilai-nilai ujaan, arus stator dan faktor kuasa dengan

menetapkan kuasa malar atau ujaan malar • Penjana segerak di kendalikan dengan selamat jika had-had berikut di

patuhi: had kestabilan, had kuasa mekanikal, had arus stator dan had arus medan

SOALAN PENILAIAN KENDIRI 5.1 Dapatkan sebuah jadual yang menunjukkan kelajuan putaran medan magnet

dalam mesin a.u bagi 2,4,6,8, 10,12 dan 14 kutub yang dikenali pada frekuensi 50, 60 dan 40 Hz.

5.2 Pada kelajuan berapakah penjana segerak enam kutub bergerak untuk

menjana 50 Hz voltan ? Jawapan: 1000 ppm

5.3 Tentukan bilangan kutub yang di perlukan yang di pacu oleh pengerak

utama yang mempunyai kelajuan 1500 ppm untuk menjana a.u pada frekuensi 50 Hz.

Jawapan: 4 kutub 5.4 Tentukan frekuensi yang diperlukan untuk mengendali motor segerak 16

kutub, 600-V pada kelajuan 375 ppm. Jawapan:50 Hz

5.5 Sebuah penjana segerak tiga fasa, lapan kutub, 900 ppm, sambungan bintang

mempunyai 120 lilitan per fasa dan faktor belitan 0.90. Voltan sebanyak 2400 V diukur melintangi pengkalan mesin pada tanpa beban. Tentukan fluks per kutub.

Jawapan:0.048 Wb

157

5.6 Sebuah penjana segerak empat kutub dipacu pada kelajuan 1800 ppm. Nilai

fluks maksima per kutub adalah 0.032 Wb. Tiap belitan fasa mempunyai 280 lilitan. Kira dge terjana per fasa.

Jawapan:2386.9 V 5.7 Jika penjana bagi latihan (5.5) berkadaran 800 kVA dan sambungan bintang,

apakah arus terkadarnya? Jawapan: 111.7 A

5.8 Terbitkan perhubungan faktor agihan belitan. 5.9 Sebuah penjana segerak mempunyai 12 kutub, dan belitan stator tiga fasa

diletakkan dalam 144 lubangalor, rentang gegelong adalah 10 lubangalor. Tentukan faktor teragih Kp, dan faktor belitan Kw.

Jawapan: 0.9577, 0.9659 5.10 Stator bagi sebuah penjana tiga fasa mempunyai 9 lubangalor per kutub dan

membawa belitan dua lapisan, tiga fasa seimbang. Gegelong adalah rentang pendek dan rentang gegelong adalah 7/9; iaitu tiap gegelong merentagn 7 lubangalor. Tentukan faktor belitan.

Jawapan:0.9018 5.11 Sebuah penjana segerak yang mempunyai belitan tiga fasa dua lapisan dan

empat kutub dikehendakki dipasang dalam stator yang mempunyai 48 lubangalor. Jarak belitan stator adalah 5/6 dan terdapat 10 lilitan per gegelong dalam belitan.Kesemua gegelong dalam tiap-tiap fasa disambung sesiri dan ketiga-tiga fasa disambung secara delta. Fluk per kutub dalam mesin adalah 0.054 Wb dan kelajuan putaran medan magnet ialah 1800 ppm. a. apakah faktor rentang belitan b. apakah faktor agihan belitan c. apakah frekuensi voltan yang dihasilkan dalam belitan d. apakah paduan voltan fasa dan voltan talian bagi stator ini

Jawapan: (a) 0.9659 (b)0.8293 (c )60 Hz (d)1843.7 V

5.12 Sebuah penjana segerak tiga fas, 100 kVA, 12 kV, sambungan bintang membekal 750 kW pada 12 kV dan beban 0.8 faktor kuasa menyusul. Regangan segerak adalah 30 Ω /fasa, dan rintangan angkir diabaikan. Kira pengatoran voltan.

Jawapan:12.8% 5.13 Sebuah penjana segerak tiga fasa, 1500 kVA, 13.2 kV sambungan bintang

mempunyai rintangan angkir 0.5 Ω /fasa dan regangan segerak 9.0 Ω / fasa. Penjana tersebut membekal baban kadaran pada voltan terkadar. a. Kira voltan terjana pada faktor kuasa uniti, pada 0.8 FK menyusul

dan pada 0.8 FK mendulu.

b. Kira pengatoran voltan bagi tiap-tiap beban yang dinyatakan dalam bahagian (a).

Jawapan: (a) 7676.7 V, 8014.4V, 7310V (b) 0.731%, 5.16%, 04%

158

5.14 Sebuah penjan segerak dua kutub, sambungan bintang, 300 kVA, 480 V, 50 Hz mempunyai rintangan angkir 0.03 Ω /fasa. Ciri-ciri buka dan litar tutup adalah seperti dalam jadual berikut:

Arus medan (If) Voltan litar buka (VIb) Arus litar pintas (I1p) 0.0 0.0 0.0 1.0 125 2.0 230 3.0 350 4.0 415 5.0 480 6.0 510 7.-0 530 500 8.0 550 9.0 560 10.0 570

a. apakah regangan segerak tepu pada keadaan kadaran b. apakah regangan segerak tidak tepu bagi penjana ini c. apakah nilai arus kadaran dan voltan janaan dalaman bagi mesin ini d. apakah nilai arus medan yang diperlukan untuk dikendali pada voltan,

arus kadaran dan faktor kuasa e. apakah pengatoran voltan pada keadaan kadaran f. jika penjana dikendali pada keadaan kadaran dan beban dipisahkan

dengan tiba-tiba, apakah nilai voltan pengkalannya g. apakah kehilangan-kehilangan elektrik mesin h. sekiranya kecekapan mesin adalah 87% dari beban penuh, apakah

dayakilas masukan yang mesti dikenakan pada aci penjana ini. Jawapan: (a) 0.96 (b) 0.99 (c )360.8A (d)5.4 A (e)103%

(f)975V (g)11.7 kW (h)732 Nm 5.15 Sebuah penjana segerak 25 MVA, tiga fasa, 13.8 kV sambungan bintang,

dua kutub, 50 Hz diuji dengan ujian litar buka dengan keputusan seperti berikut:

Ujian litar buka

arus medan 320 365 380 475 570 Voltan talian kV

13.0 13.8 14.1 15.2 16.0

Kemudian ujian litar pintas dilakukan dan keputusanya adalah seperti berikut: Ujian litar pintas

arus medan 320 365 380 475 570 arus angkir 1040 1190 1240 1550 1885

Rintangan angkir adalah 0.24 per fasa Ω

a. dapatkan regangan segerak tidak tepu dalam Ω per fasa dan dalam per unit

b. dapatkan regangan segerak tepu pada arus medan 380 A. Ungkapkan

jawapan dalam Ω per fasa dan dalam per unit.

159

c. dapatkan nisbah litar pintas bagi penjana ini

Jawapan: (a) 8.51, 1.12 pu (b)6.57, 0.77 pu (c )1.14 5.16 Sebuah penjana segerak tiga fasa, 10 kVA, 208 V, empat kutub sambungan

bintang mempunyai regangan segerak 2 Ω per fas dan rintangan angkir diabaikan. Pejana disambung ke tiga fasa, 208 V bas infinit. Abaikan kehilangan putaran. a. arus medan dan kuasa masukan mekanikal diubah supaya penjana

segerak menghantar 6 kW pada faktor kuasa 0.85 menyusul. Tentukan voltan ujian dan sudut beban

b. Kuasa masukan mekanikal dikekalkan tetap arus medan diubah

supaya faktor kuas amenjadi unit. Tentukan peratus perubahan dalam arus medan dengan nilainya pada bahagian (a).

Jawapan: (a) 144.54V, 13.33o (b) 13.8% 5.17 Sebuah penjana segerak tiga fasa, 6600 V, 1000 kVA menghantar beban

penuh pada faktor kuasa 0.8 menyusul. Regangan segerak adalah 8.7 dan rintangan diabaikan. Bila ujian diubah, dge bertambah sebanyak 25% pada beban ini. Kira arus dan faktor kuasa yang baru. Mesin disambung ke bas infinit.

Ω

Jawapan:190.6A, 0.369 mengekor 5.18 Sebuah penjana segerak 25 kVA, 230 V, 3 fasa, empat kutub, 50 Hz,

sambungan bintang mempunyai regangan segerak 1.5 Ω /fasa dan rintangan stator diabaikan. Penjana tersebut disambung ke bas infinit (voltan malar dan frekuensi malar) pada 230 V dan 50 Hz. a. tentukan voltan ujian Ea apabila mesin menghantar kVA terkadar

pada FK 0.8 menyusul

b. arus medan ujian dinaikkan sebanyak 20% tanpa mengubah kuasa masukkan dari penggerak utama. Cari arus stator Ia, faktor kuasa dan kuasa regangan Q yang dibekalkan oleh mesin

c. dengan nilai arus medan ujian seperti dalam bahagian (a), kuasa

masukan dari penggerak utama dinaikkan perlahan-lahan. Apakah had steady state? Tentukan arus stator Ia, faktor kuasa dan kuasa regangan Q.

Jawapan: (a) 203.73V (b) 83.4A, 0.6018 mengekor, 26.54 kVAR (c ) 162.13A, 0.8386 mendulu, 35.18 kVAR

5.19 Sebuah penjana-turba tiga fas, sambungan bintang segerak 100 per fasa

dan rintangan diabaikan, mempunyai arus angkir 220 A pada faktor kuasa uniti. Bekalan voltan tetap, 11 kV , pada frekuensi tetap. Jika masukkan wap tidak berubah dan dge dinaikkan sebanyak 25%, tentukan arus dan faktor kuasa.

Ω

Jika ujian yang tinggi dikekalkan dan bekalan wap dinaikkan perlahan-lahan, apakah kuasa keluaran mesin yang akan menyebabkan penjana-turbo terkeluar dari penyegerakkan.

Jawapan: 2846∠-38.79, 5.453 MW

160