Desain dan Konstruksi Generator - Inti dan Frame Stator



Inti Stator

Inti stator terdiri dari tipis lembaran baja dengan ukuran [0,014 inci (0,355 mm) atau 0,019 inci (0,483 mm)] bermuatan listrik, dengan silikon 3% hingga 4% atau berukuran seoerti butir (lihat Gambar 2.1 dan Gbr. 2.2). Ada banyak istilah untuk lembaran ini, seperti coreplate, punchings, dan laminasi. Mereka tersegmentasi, artinya umumnya dari 10 hingga 24 laminasi (tergantung pada apakah mesin yang akan dirancang terdiri dari dua atau empat pole (kutub)) diletakkan pada sisi secara berdampingan untuk membentuk lapisan cincin 360 derajat penuh. Masing-masing lapisan ini terhuyung relatif terhadap lokasi lapisan yang berdekatan di atas ataupun di bawah, dengan tepi sela radial dari laminasi yang berdekatan di setiap lapisan cincin (lihat Gambar 2.3). Penghuyungan ini memiliki efek signifikan dalam meningkatkan integritas mekanik inti stator sebagai unit rakitan. Fitur ini juga memiliki efek menguntungkan dalam mengurangi tegangan poros pada rotor akibat ketidaksimetrisan sirkuit magnetik.
Gambar 2.1. Coreplate atau Laminasi untuk Inti Stator 4-Pole (Kutub)
Gambar 2.2. Coreplate atau Laminasi untuk Inti Stator 2-Pole (Kutub)

Setiap laminasi diisolasi di kedua sisi dengan senyawa organik atau anorganik dengan dimensi yang sangat tipis, umumnya sekitar 0,001 inci. Senyawa organik meliputi pernis dan pelapis anorganik dapat menjadi lapisan oksidasi. Tujuan dari isolasi antar-laminar adalah untuk membatasi setiap pusaran (eddy-current) yang diinduksi ke jalur laminasi yang sama di mana ia diinduksi, tanpa menjembatani ke laminasi sebelahnya. Hal Ini memiliki efek dalam meningkatkan resistensi terhadap arus eddy dan mengurangi besarnya, dengan keseluruhan mereduksi kerugian arus eddy dan kenaikan suhu yang terjadi. Ada kejadian operasi abnormal seperti overfluxing dari inti yang dapat meningkatkan suhu inti pada isolasi antarlaminar. Kejadian ni dapat mengakibatkan kegagalan total pada inti stator.

Baca juga artikel: Pengantar Desain dan Konstruksi Generator

Inti dari dibuatnya laminasi tipis yaitu untuk membatasi kerugian eddy-current pada inti besii karena fluks bolak-balik yang diinduksi pada permukaan selama beroperasi. Aktivitas eddycurrent di ujung-ujung permukaan akan semakin meningkat karena penyimpangan dan kebocoran ujung flux dari tumbukan aksial pada gerigi inti di daerah ujung, yang akan dibahas lebih lanjut dalam bab ini. Untuk mengurangi efek eddy-current akibat tumbukan fluks aksial pada ujung-ujung inti maka perlu peningkatan pemanasan ujung-ujung inti tersebut hingga beberapa inci secara aksial ke dalam dari masing-masing ujung inti (lihat Gambar 2.3)

Inti stator dari generator turbo mengandung puluhan ribu laminasi inti di mesin yang lebih kecil dan ratusan ribu laminasi di mesin terbesar yang harus saling berikatan, terutama ketika generator diletakkan miring ketika dipasang dan dioperasikan. Agar segmen cincin yang di laminasi sejajar dengan setiap lapisan berturut-turut, mereka dipasang ke keybars dalam struktur bingkai stator (lihat Gambar. 2.3 dan 2.4). Kemudian, untuk menetapkan inti sebagai massa yang solid dan kaku, maka harus dijepit secara aksial. Ada dua metode dasar yang digunakan untuk mencapai gaya penjepitan aksial. Paling umum adalah dengan menggunakan struktur keybar di mana inti dipasang oleh pas slot di inti laminasi di bagian belakang inti, dalam hubungannya dengan piringan menekan cincin penuh besar di setiap ujung stator. Sementara bagian lainnya ditambahan menggunakan "baut" kemudian dipasang melalui lubang di daerah inti beban (Lihat Gambar. 2.3) yang memperpanjang aksial penuh panjang inti stator dan melalui "pelat penekan".  Pada kedua metode ini, tekanan didistribusikan ke permukaan ujung atau permukaan pada kedua ujung stator menggunakan priringan yang besar.
Gambar 2.3. Laminasi yang Betumpukan pada Stator
Gambar 2.4. Pengaturan Pemasangan Core-to-Keybar dalam Frame Stator,

Namun, di area gerigi inti, lilitan stator memanjang keluar dari ujung inti oleh karena itu, inti tidak dapat ditekan langsung oleh pelat penekan di dalam area inti. Untuk alasan ini, jari-jari yang secara substansial kuat dipasang di bagian atas gerigi inti pada ujungnya, antara laminasi inti-akhir dan pelat penekan untuk memperpanjang tekanan pelat yang menekan "finger" dan gerigi inti. Dengan cara ini, dibutuhkan tekanan diperluas ke tepi bagian dalam atau bagian inti stator, serta bagian area perukannya. Tujuannya adalah untuk memberikan tekanan yang sama di seluruh permukaan ujung dan mentransmisikannya ke seluruh panjang aksial inti untuk menahannya agar tetap kokoh di atas permukaannya. Selain pemuatan tekanan tinggi di pabrik hingga 250 psi, core juga sering diikat di antara laminasi, untuk memastikan integritas mekanik inti.

Dukungan inti juga harus mengakomodasi torsi mesin yang melekat dengan operasi generator. Beban tetap muncul sebagai torsi stabil ke inti, tetapi transien torsi puncak yang harus dipenuhi oleh desain alat berat. Torsi tersebut ditransmisikan ke bingkai stator melalui keybar yang dipasang di bagian belakang inti di mana slot pas inti berada. Keybars pada gilirannya dipasang pada bingkai stator untuk mendukung seluruh struktur stator.

Karena tingkat kekuatan dan getaran yang tinggi yang dialami selama operasi normal dan abnormal, pengaturan redaman mekanis atau pemasangan pegas khusus sering dilakukan guna untuk meminimalkan dampak buruk pada inti dan bingkai itu sendiri atau bagian lain dari stator.

Dalam generator dua kutub, inti stator mengalami tarikan magnetik ke dalam yang berputar di dua lokasi yang berlawanan secara berlawanan pula dari kerapatan fluks airgap maksimum, sehingga membelokkan inti seperseribu inci dari bundar membentuk oval yang tidak terdeteksi secara visual (lihat Gambar 2.5). Namun, hasilnya adalah mode getaran empat simpul utama pada frekuensi yang dua kali frekuensi sistem daya (biasa disebut frekuensi "twice per rev"). Getaran yang dihasilkan dapat menjadi signifikan, oleh karena itu generator harus diisolasi sedemikian rupa sehingga getarannya teredam dan tidak ditransmisikan ke lingkungan. Hal ini dilakukan dengan peredam mekanis atau pegas pada inti. Desain terperinci dari berbagai pabrikan bervariasi secara substansial, tetapi semua harus memberikan isolasi getaran sambil mendukung bobot inti dan menangani torsi transien dan puncak yang dikembangkan di stator inti.
Gambar 2.5. Representasi skematik deformasi inti generator dua kutub sebagai
fluks berputar dengan kecepatan sinkron.

Pendinginan inti dilakukan dalam generator besar dengan penggunaan hidrogen gas. “Saluran” radial disediakan di inti untuk tujuan ini. Kerugian yang ditimbulkan pada inti dihamburkan ke gas pendingin di permukaan saluran radial. Lebar saluran dan ketebalan saluran inti dipilih sesuai kebutuhan ventilasi alat berat dan suhu yang diizinkan dalam permukaan. Untuk memungkinkan saluran ventilasi radial, "blok ruang" diamankan ke laminasi inti yang lebih tebal untuk membentuk sebuah jalur gas radial dari lubang stator ke bagian belakang area inti, dan sebaliknya (lihat Gambar.2.6).

Slot disediakan di inti stator untuk pemasangan lilitan stator. Bahan inti dilepas untuk mengakomodasi lilitan dan, karenanya, kepadatan fluks gerigi sangat tinggi di daerah ini. Hal Ini mempengaruhi kerugian yang dihasilkan dan pemanasan di inti bahwa pendingin mesin harus menghilang.

Bagian inti di bawah slot yang berliku disebut  area inti-belakang. Tingkat saturasi magnetik dan getaran mekanis mengatur kedalaman radial beban dalam generator dua kutub. Generator yang relatif kecil, kedalaman back-of-core (empat kutub) biasanya merupakan mesin fluks yang lebih rendah. Mesin dengan generator besar back-of-core (dua kutub) umumnya mesin berfluks tinggi. Perhatian harus diberikan kepada kedua jenis dalam hal efek deformasi oval pada stator inti serta saturasi magnetik dan getaran yang terjadi.
Gambar 2.6. Segmen coreplate tipis dengan blok ruang

Dengan mesin lilitan stator yang didinginkan, reaksi armature dan penyimpangan fluks tinggi membutuhkan pelindung fluks pada ujung inti stator untuk meminimalkan kerugian pada ujung inti dan suhu yang lebih tinggi. Pelindung fluks dilakukan menggunakan tembaga, pelindung pembawa arus atau oleh pembawa fluks baja magnetik berlapis.


Frame Stator

Tujuan dasar dari kerangka stator adalah untuk memberikan dukungan pada inti stator dan bertindak sebagai wadah yang memiliki tekanan untuk gas pendingin hidrogen dalam generator yang didinginkan oleh gas hidrogen. Selain itu, kerangka stator juga dipisahkan secara internal untuk membuat sirkuit ventilasi di dalam generator (lihat Gambar.2.7). Dalam unit yang didinginkan hidrogen, kerangka stator juga mendukung pendingin hidrogen (penukar panas) digunakan untuk menghilangkan panas yang diserap oleh hidrogen. Di beberapa lebih besar generator, gas hidrogen ditekan hingga setinggi 90 psi dalam waktu yang lebih baru.

Frame stator termasuk kulit luarnya yang biasa disebut wrapper plate yang terdiri dari kerangka melingkar dan batang pengunci (keybars) terpasang. Dibagian luar frame, terdapat struktur pijakan yang dilas guna untuk mengamankan generator ketika dipasang pada permukaan tertentu. Pijakan dan dudukan rangka diperlukan untuk membawa beban generator dan torsi yang berputar dari efek ovisasi medan magnet dalam generator. Struktur frame juga harus mampu menahan peristiwa abnormal (yang tidak diduga) pada sistem daya dan gangguan generator yang menyebabkan tegangan transien yang tinggi pada frame stator.
Gambar 2.7. Bagian Tengah Stator dan Bingkai yang Melintang

Karena frame berperan penting pada inti stator, maka frame tersebut harus bisa bergerak dengan ekspansi dan kontraksi inti dari pemanasan dan tarikan magnet yang terkait dengan pola fluks yang berputar pada inti. Untuk mengakomodasi semua ini, kopling mekanis coreto-frame biasanya dilakukan dengan pemasangan beberapa fleksibilitas. Pada turbogenerators, desain rangka biasanya ditampung dengan beberapa rakitan isolasi atau pemasangan pegas dari inti. Hal ini membantu meredam getaran inti dan bingkai yang melekat dan membuatnya tetap terisolasi dari fondasi.

Kelembaman frame dan frekuensi getaran alami merupakan parameter penting Pada karakteristik generator sekali-per-revolusi (60 atau 50 Hz) dan dua kali-per-revolusi (120 atau 100 Hz) bersamaan dengan stimulus frekuensi dari sistem tenaga. Oleh karena itu, sangat perl memastikan bahwa frekuensi alami inti dan framenya tidak mendekati 60 (50) atau 120 (100) Hz.

Untuk memberikan kelembaman pada kulit luar bingkai atau casing, terdapat kerangka melingkar yang dilas ke pembungkus pada interval aksial sepanjang jarak rotor. Hal ini dirancang untuk memberikan kerangka stator kuat yang dibutuhkan sebagai komponen pendukung inti stator dan bertindak sebagai wadah tekanan untuk gas pendingin hidrogen (dalam mesin berpendingin H2). Keseluruhan struktur dimensi kerangkanya dipastikan besar kekuatan yang sesuai untuk menghindari frekuensi alami dari karakteristik generator once- and twice-per-revolution. Jenis baja yang digunakan dalam rangka umumnya adalah material yang sangat mudah dilas dengan kekuatan yang baik dan daktilitas suhu rendah (mis., baja ringan) yang mengandung tekanan gas hidrogen internal yang baik.

Frame juga memiliki beberapa titik lemah yang harus diperhitungkan dalam desain hasil dari perancangan dalam struktur rangka yang menghubungkan antar berbagai bagian dari jalur ventilasi melalui struktur rangka. Beberapa di antaranya termasuk port pendingin hidrogen, struktur terminal-box, dan umpan-masuk instrumentasi. Namun demikian, jalur ventilasi harus disediakan untuk mengarahkan gas pendingin dari jalur keluaran pendingin hidrogen ke berbagai bagian inti stator, rotor, dan terminal, kemudian kembali melalui pendingin hidrogen untuk memulai siklus lagi. Tentu saja, ukuran kerangka dan saluran pendingin ditentukan oleh jumlah pendinginan yang diperlukan di setiap bagian generator. Pengaturan serupa ada di mesin berpendingin udara.

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