Desain dan Konstruksi Generator - Sebuah Pengantar

Fungsi dasar generator adalah untuk mengubah tenaga mekanik, yang dikirim dari poros turbin, menjadi tenaga listrik. Oleh karena itu, generator sebenarnya adalah konverter energi mekanik yang berputar. Energi mekanik dari turbin dikonversi dengan cara memutar medan magnet yang dihasilkan oleh arus searah dalam lilitan tembaga dari rotor atau medan, yang menghasilkan arus dan tegangan bolak-balik tiga fase lilitan tembaga stator (armature atau biasa disebut dinamo). Lilitan stator terhubung ke terminal, yang selanjutnya terhubung ke sistem daya untuk pengiriman daya output ke sistem.
Karena beban sistem menuntut lebih banyak daya aktif dari generator, maka akan lebih banyak uap (atau bahan bakar dalam turbin) perlu dimasukkan ke turbin untuk meningkatkan output daya yang dihasilkan. Karenanya, lebih banyak energi yang ditransmisikan ke generator dari turbin, dalam bentuk torsi. Torsi ini bersifat mekanis, tetapi secara elektromagnetik digabungkan dengan sistem tenaga melalui generator. Semakin tinggi output daya, semakin tinggi torsi antara turbin dan generator.

Output daya generator biasanya mengikuti permintaan beban dari sistem. Oleh karena itu, tegangan dan arus dalam generator terus berubah berdasarkan permintaan beban. Desain generator harus mampu mengatasi besar dan perubahan beban yang bersifat spontan yang muncul di dalam alat berat saat kekuatan mekanik dan suhu berubah. Oleh karena itu, desainnya harus menggabungkan bahan pembawa arus listrik (mis., Tembaga dan / atau aluminium), bahan pembawa fluks magnet (yaitu, baja yang sangat permeabel), bahan isolasi (organik dan / atau anorganik), bagian struktural, dan media pendingin (mis., gas dan cairan), semuanya bekerja secara bersamaan di bawah kondisi pengoperasian generator turbo.

Karena turbo-generator merupakan mesin sinkron (synchronous mechine), ia beroperasi pada satu kecepatan yang sangat spesifik untuk menghasilkan frekuensi sistem konstan pada 60 atau 50 Hz, tergantung pada frekuensi grid (jaringan listrik) yang terhubung. Sebagai mesin sinkron, generator turbo menggunakan fluks magnet tetap dan kuat yang melewat secara radial melintasi celah udara yang ada di antara rotor dan stator. (Istilah “airgap” biasanya digunakan sebagai pendingin udara-gas pada mesin.) Untuk mesin dalam diskusi ini, berarti distribusi fluks magnetik dari dua atau empat kutub pada rotor. Pola fluks ini berputar dengan rotor, karena berputar pada kecepatan sinkron. Medan magnet yang berputar bergerak melewati tiga fase, lilitan yang didistribusikan secara simetris yang dipasang di inti stator menghasilkan tegangan bolak-balik di stator berliku. Gelombang tegangan dihasilkan pada masing-masing dari tiga fase stator yang berkelok-kelok adalah sinusoidal. Output dari lilitan stator adalah daya tiga fase, dikirim ke sistem daya pada tegangan yang dihasilkan dalam lilitan stator.

Selain distribusi fluks normal di bagian utama generator, terdapat fluks yang menyimpang di ujung ekstrem generator yang menciptakan pola fluks fringing dan menyebabkan kerugian pada generator. Fluks yang menyimpang ini juga harus diperhitungkan dalam keseluruhan desain generator.
Generator terdiri dari dua bagian dasar yaitu stator dan rotor, tetapi stator dan rotor sendiri dibangun dari berbagai bagian. Rotor adalah bagian yang berputar berkecepatan tinggi dari keduanya dan mengalami beban mekanik yang bersifat dinamis yang berat serta dan juga mengalami beban elektromagnetik dan termal. Komponen yang paling penting di generator adalah cincin penahan yang dipasang pada rotor. Komponen ini dirancang dengan sangat cermat untuk operasi tekanan yang tinggi. Stator tidak bergerak atau dalam keadan statis, seperti yang ditunjukkan oleh istilah tersebut, tetapi stator juga melihat kekuatan dinamis yang signifikan dalam hal getaran dan torsi beban, serta muatan elektromagnetik, termal, dan beban tegangan tinggi. Komponen stator yang sangat penting adalah stator (winding) berliku karena merupakan item yang mahal dan harus dirancang untuk menangani semua efek kerugian yang dijelaskan sebelumnya. Sebagian besar masalah stator terjadi pada lilitannya.

Dari diskusi sebelumnya, terlihat jelas bahwa ada banyak masalah yang perlu dipertimbangkan dalam mendesain generator dan memperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi kinerjanya keseluruhan mesin. Masalah desain isolasi tegangan tinggi, arus listrik (ac dan dc), fluks magnet, termal yang terbentuk dan pendinginan, gaya mekanis, dan getaran semua harus diperhitungkan agar generator beroperasi dengan baik tanpa adanya disipasi daya.

Sumber Pustaka:
Geoff Klempner and Isidor Kerszenbaum, 2008. Handbook of Large Turbo-Generator Operation and Maintenance. IEEE Press, A John Wiley & Sons, Inc Publication.