1. Dokumen tersebut membahas tentang generator sinkron, termasuk definisi, konstruksi, metode eksitasi, prinsip kerja, dan rangkaian ekivalennya. 2. Generator sinkron mengkonversi daya mekanik menjadi listrik dengan menggunakan medan magnet berputar yang membangkitkan tegangan induksi pada belitan jangkar. 3. Rangkaian ekivalen generator sinkron mempertimbangkan efek reaksi jangkar, induktansi sendiri belitan jangkar, dan

1. Dasar-Dasar
Generator Sinkron

2. 4.1 Umum
1. Mesin sinkron umumnya dioperasikan sebagai generator arus bolak-balik
(ac), dikenal sebagai generator sinkron atau alternator karena bekerja
pada kecepatan sinkron  kecepatan putaran rotor bersesuaian dengan
frekuensi daya listrik yang dibangkitkan.
2. Generator sinkron mengkonversi daya mekanik (prime mover spt: turbin
uap, turbin gas, turbin air, mesin diesel, dll) menjadi daya listrik ac.
3. Generator sinkron umumnya dioperasikan secara paralel (sistem
interkoneksi generator) untuk mensuplai energi ke beban.
4. Generator sinkron memiliki kemampuan untuk membangkitkan daya besar
(puluhan s/d ratusan MW).
5. Generator sinkron dgn kapasitas daya kecil umum digunakan sbg
pembangkit daya mandiri (genset) dengan prime mover mesin diesel atau
turbin gas.

3. 4.2 Konstruksi
Generator Sinkron
Gambar potongan melintang generator sinkron
1. Stator
• Umumnya merupakan tempat untuk
belitan stator/belitan jangkar dimana
ggl (gaya gerak listrik)/tegangan tiga-
fasa generator dibangkitkan.
2. Rotor
• Umumnya merupakan tempat untuk
belitan rotor/belitan medan yang
dicatu dengan sumber tegangan
searah (dc) untuk membangkitkan
medan magnet konstan dan berputar
seiring dengan putaran rotor 
rotating magnetic field.
• Sumber tegangan dc dan belitan
rotor/medan dihubungkan melalui
slip-ring dan brush.

4. • Pada jenis generator sinkron yang lain
dapat dijumpai belitan
jangkar tiga-fasa yang ditempatkan pada
bagian rotor dan belitan medan/eksitasi
pada bagian stator  stationary
magnetic field.
Untuk menghubungkan belitan jangkar
tiga-fasa yang terdapat pada bagian rotor
dengan terminal keluaran generator
diperlukan tiga buah slip-ring dan brush.
Untuk kapasitas daya dan tegangan kerja
yang besar akan muncul masalah pada
slip-ring/brush  generator sinkron tipe
stationary magnetic field hanya umum
digunakan untuk kapasitas daya kecil
(kurang dari 5 kVA).
Generator sinkron tipe rotating magnetic
field lebih umum dijumpai dibandingkan
tipe stationary magnetic field.
• Jenis rotor generator sinkron:
A. Silinder (non-salient) pole rotor
• Jumlah kutub (pole) 2 atau 4 
untuk jumlah kutub 2 diperlukan
putaran 3000 rpm untuk
menghasilkan tegangan dg frekuensi
50 Hz.
• Untuk aplikasi putaran tinggi (turbin
uap/gas).
B. Salient-pole rotor
• Jumlah kutub 4 atau lebih
• Untuk aplikasi putaran rendah
(<300rpm), contohnya turbin air ).

5. 1. Generator sinkron menghasilkan
tegangan arus bolak-balik
dengan frekuensi sinkron
terhadap kecepatan putaran
mekanik rotor (nm, dlm rpm).
2. Faktor lain yang menentukan
frekuensi tegangan ac generator
(fe, dlm satuan Hz) adalah
jumlah kutub generator (p).
3. Formulasinya:
4. Ilustrasi:
Dalam satu kali putaran rotor, belitan
jangkar merasakan satu kali
perubahan kutub medan magnet
eksitasi U dan S  menghasilkan satu
gelombang tegangan.
Dalam satu kali putaran rotor, belitan
jangkar merasakan dua kali
perubahan kutub medan magnet
eksitasi U dan S  menghasilkan dua
gelombang tegangan.
Relasi antara jumlah kutub
generator dengan frekuensi
tegangan ac yang
dibangkitkan

6. 3.Slip ring dan brush
• Slip ring adalah cincin logam yang melingkari poros generator
namun diisolasi terhadap poros generator bersangkutan.
• Brush atau sikat, umumnya terbuat dari bahan karbon
menyerupai graphit, berfungsi untuk menghubungkan terminal
sebuah sumber tegangan dc dengan slip ring untuk mensuplai
belitan medan/eksitasi generator (rotating magnetic field) atau
menghubungkan belitan jangkar tiga-fasa dengan terminal
keluaran generator (stationary magnetic field)

7. 3.Slip ring dan brush
Contoh gambar slip ring dan brush (generator sinkron tipe rotating magnetic field)
Slip ring
Sikat
karbon
ke terminal
sumber tegangan
dc eksitasi
belitan
rotor/eksitasi
Slip ring
Sikat karbon

8. 4.3 Metode Eksitasi
1. Menggunakan sumber tegangan dc eksternal untuk mencatu
belitan rotor/eksitasi melalui slip ring dan sikat.
2. Menggunakan sumber tegangan dc khusus yang ditempatkan
pada poros generator sinkron (eksitasi tanpa sikat,
brushless excitation)  untuk generator sinkron kapasitas
besar.

9. 4.3 Metode Eksitasi
Brushless exciter
Tipe 1. Dengan sumber eksternal
1. Brushless exciter adalah generator ac
kecil (dikenal sbg generator exciter)
yang memiliki rangkaian medan eksitasi
pada stator dan rangkaian jangkar pada
rotor.
2. Sumber tegangan tiga-fasa 
disearahkan dengan penyearah tiga-fasa
 disuplaikan ke belitan stator/medan
generator exciter.
3. Tegangan keluaran tiga-fasa generator
exciter  disearahkan oleh rangkaian
penyearah tiga-fasa (yang ditempatkan
pada poros generator)  disuplaikan ke
belitan rotor/medan generator sinkron
utama.

10. Contoh gambar generator sinkron
brushless dengan generator exciter
Rotor dari sebuah generator
sinkron brushles dengan
generator exciter yang terpasang
pada poros rotor generator
sinkron bersangkutan
Sebuah generator sinkron brushless
dengan generator exciter yang terpasang
seporos dengan rotor generator.
Generato
r exciter
Rotor dari
generator sinkron
(generator
utama)

11. Tipe 2. Dengan pilot
exciter (tanpa sumber
eksternal)
1. Pilot exciter adalah
generator ac dengan
magnet permanen yang
ditempatkan pada rotor
dan belitan jangkar tiga-
fasa pada stator untuk
mensuplai belitan eksitasi
generator exciter.

12. 4.4 Prinsip Kerja
1. Pada saat belitan rotor/medan dieksitasi
dengan sumber tegangan dc  mengalir
arus eksitasi yang memagnetisasi inti
rotor  terbentuk kutub magnet
rotor/terbangkitkan fluksi magnetik.
2. Aliran fluksi magnet: kutub U rotor 
menembus celah udara  mengalir
pada inti stator  menembus celah
udara  masuk ke kutub S rotor.
3. Rotor yang diputar oleh penggerak
mengakibatkan fluksi magnet
memotong belitan-belitan jangkar di
stator  perubahan fluksi lingkup yang
dirasakan oleh belitan jangkar.

13. • Kondisi saat belitan jangkar fasa A
menerima fluksi magnet
maksimum.
• Fluksi magnet
menembus/memotong belitan
jangkar fasa A secara tegak lurus.
• Kondisi saat belitan jangkar fasa A
tidak menerima fluksi magnet.
• Fluksi magnet sejajar/paralel
dengan belitan jangkar fasa A.
Ilustrasi perubahan fluksi lingkup
yang dirasakan oleh belitan
jangkar generator sinkron

14. • Apabila fluksi magnet menembus/memotong
belitan jangkar fasa A pada sudut  =
tterhadap garis tegak lurus dari bidang yang
dibentuk oleh belitan fasa A maka fluksi lingkup
yang dirasakan oleh belitan jangkar fasa A
adalah:
dimana:
𝜔 = 2𝜋𝑓 rad/s
𝑓 =
𝑛𝑠𝑦𝑝
120
Hz
𝒏𝒔𝒚 (rpm) adalah kecepatan sinkron generator
(sama dengan kecepatan putaran rotor)
𝒑adalah jumlah kutub generator

15. • Karena terjadi perubahan fluksi
lingkup  muncul gaya gerak listrik,
disingkat ggl (berdasarkan hukum
tegangan induksi Faraday).
𝐸𝑎 = −𝑁𝑎
𝑑Φ𝑙𝑖𝑛𝑘 𝑡
𝑑𝑡
= −𝑁𝑎
𝑑Φ𝑟𝑜𝑡 cos(𝑡)
𝑑𝑡
= 𝑁𝑎Φ𝑟𝑜𝑡 sin(𝑡)
𝑬𝒂(V) adalah ggl yang dibangkitkan
pada belitan jangkar fasa A.
𝑵𝒂adalah jumlah lilitan untuk
belitan jangkar fasa A.
𝜔 = 2𝜋𝑓 rad/s ; dan 𝑓 =
𝑛𝑠𝑦𝑝
120
Hz
• Nilai efektif (rms) dari ggl yang dibangkitkan
dirumuskan sebagai:
• Proses pembangkitan ggl yang sama
terjadi untuk kedua belitan fasa lainnya.
• Kesimpulan: fluksi magnet yang berputar
(akibat putaran rotor) membangkitkan
tegangan induksi pada beitan jangkar.
𝐸𝑎 =
𝑁𝑎 Φ𝑟𝑜𝑡 
2
jumlah
lilitan dari
belitan
jangkar
besarnya
fluksi
magnet
besarnya
putaran
rotor

16. 4.5 Rangkaian Ekivalen
Ggl (tegangan) induksi internal
generator sinkron
• Nilai efektif (rms) ggl/tegangan induksi generator
sinkron adalah:
𝐸𝑎 =
𝑁𝑎 Φ𝑟𝑜𝑡 
2
atau𝐸𝑎 = 𝑘 Φ𝑟𝑜𝑡 
k adalah konstanta yang merepresentasikan
konstruksi generator sinkron.
• Oleh karena fluksi magnet merupakan fungsi dari
arus yang mengalir pada belitan eksitasi/rotor
generator (IF)  tegangan induksi internal
generator juga merupakan fungsi dari arus
eksitasi atau arus medan  kurva tegangan
induksi internal sebangun dengan kurva
magnetisasi.
(a) Kurva magnetisasi rotor
Arus belitan eksitasi/medan
Fluksi
magnet
Φ𝑟𝑜𝑡
(b) Kurva tegangan induksi internal
Arus belitan eksitasi/medan
Tegangan
induksi
internal
𝐸𝑎  = syn = konstan

17. • Tegangan pada terminal keluaran generator sinkron (tegangan
generator, Vg) umumnya tidaklah sama dengan tegangan
induksi internal generator.
• Tegangan generator dipengaruhi oleh:
1. Distorsi medan atau fluksi magnet di celah
udara antara rotor dan stator akibat dari aliran
arus pada belitan jangkar/stator (reaksi jangkar)
2. Nilai induktansi sendiri/bocor belitan jangkar
3. Nilai resistansi belitan jangkar
Apabila tidak ada arus
jangkar (tanpa beban)
maka ketiga faktor ini
tidak akan muncul 
tegangan generator sama
dengan tegangan induksi
internal.
Tegangan terminal
generator sinkron

18. • Saat generator diberi eksitasi dan poros
rotornya diputar  tegangan induksi internal
(Ea) akan dibangkitkan pada belitan
jangkar.
• Saat generator dibebani  mengalir arus
beban pada belitan jangkar  medan magnet
jangkar/stator (ar)
• Interaksi antara medan magnet rotor (fluksi
eksitasi generator, Φ𝑟𝑜𝑡) dengan medan
magnet jangkar menghasilkan medan magnet
resultan (Φ𝑟𝑒𝑠)
 Φ𝑟𝑒𝑠 = Φ𝑟𝑜𝑡 + Φ𝑎𝑟
 Beban induktif  Φ𝑟𝑒𝑠 < Φ𝑟𝑜𝑡
pelemahan fluksi magnet yang dirasakan
oleh belitan jangkar generator
(demagnetisasi)
 Beban kapasitif  Φ𝑟𝑒𝑠 < Φ𝑟𝑜𝑡
penguatan fluksi magnet
Fasor diagram reaksi jangkar
Φ𝑟𝑜𝑡
𝐸𝑎
Φ𝑟𝑒𝑠
Φ𝑎𝑟
𝐼𝑎

 adalah sudut fasa
antara arus belitan
jangkar (Ia) dan
tegangan induksi
internal (Ea)
Reaksi jangkar (armature
reaction)

19. • Fluksi jangkar akan membangkitkan tegangan induksi reaksi jangkar (Ear)
• Fluksi resultan membangkitkan tegangan induksi resultan (Er)
𝐸𝑟 = 𝐸𝑎 + 𝐸𝑎𝑟
• Tegangan induksi reaksi jangkar tertinggal dari arus dengan sudut fasa 90
sehingga dapat dimodelkan sebagai:
𝐸𝑎𝑟 = −𝑗𝑋𝑎𝑟𝐼𝑎
• Sehingga persamaan tegangan induksi resultan menjadi:
𝐸𝑟 = 𝐸𝑎 − 𝑗𝑋𝑎𝑟𝐼𝑎
Rangkaian ekivalen jangkar dgn
mempertimbangkan efek reaksi jangkar
𝑗𝑋𝑎𝑟
𝐼𝑎
𝐸𝑎 𝐸𝑟
Rangkaian ekivalen
medan/eksitasi
𝐿𝐹
𝑅𝐹
𝑅𝑣𝑎𝑟
𝐼𝐹
𝑉𝐹
(𝑑𝑐)

20. • Selain akibat rekasi jangkar, tegangan keluaran generator dipengaruhi juga
oleh jatuh tegangan karena induktansi sendiri/bocor belitan jangkar (La)
dengan nilai reaktansi (Xa) serta jatuh tegangan karena resistansi belitan
jangkar (Ra)
• Jadi, persamaan tegangan generator dapat dirumuskan sebagai:
𝑉
𝑔 = 𝐸𝑎 − 𝑗𝑋𝑎𝑟𝐼𝑎 − 𝑗𝑋𝑎𝐼𝑎 − 𝑅𝑎𝐼𝑎
• Rangkaian ekivalennya menjadi:
Rangkaian
ekivalen
medan/eksitasi
𝐿𝐹
𝑅𝐹
𝑅𝑣𝑎𝑟
𝐼𝐹
𝑉𝐹
(𝑑𝑐)
Rangkaian ekivalen jangkar dgn mempertimbangkan
efek reaksi jangkar, induktansi sendiri/bocor, dan
resistansi belitan jangkar
𝑗𝑋𝑎𝑟
𝐼𝑎
𝐸𝑎 𝑉
𝑔
𝑗𝑋𝑎 𝑅𝑎

21. • Reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi sendiri/bocor belitan jangkar seringkali
dinyatakan sebagai reaktansi sinkron (XS) sehingga persamaan tegangan generator
menjadi:
• 𝑉
𝑔 = 𝐸𝑎 − 𝑗𝑋𝑆𝐼𝑎 − 𝑅𝑎𝐼𝑎 = 𝐸𝑎 − (𝑗𝑋𝑆 + 𝑅𝑎)𝐼𝑎
dan rangkaian ekivalennya menjadi:
Rangkaian ekivalen
medan/eksitasi
𝐿𝐹
𝑅𝐹
𝑅𝑣𝑎𝑟
𝐼𝐹
𝑉𝐹
(𝑑𝑐)
𝐼𝑎
Rangkaian ekivalen jangkar dgn
mempertimbangkan reaktansi sinkron sbg
pengganti reaktansi akibat reaksi jangkar
dan induktansi sendiri/bocor, serta
resistansi belitan jangkar
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐸𝑎 𝑉
𝑔

22. • Rangkaian ekivalen untuk fasa-fasa yang lain dapat diturunkan dengan cara yang sama
sehingga diperoleh rangkaian ekivalen lengkap generator sinkron tiga-fasa sbb:
𝐿𝐹
𝑅𝐹
𝑅𝑣𝑎𝑟
𝐼𝐹
𝑉𝐹
(𝑑𝑐)
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐸𝑎𝐴
𝑉𝑔𝐴
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐼𝑎𝐴
𝐸𝑎𝐵
𝑉𝑔𝐵
𝐼𝑎𝐵
𝐸𝑎𝐶
𝑉𝑔𝐶
𝐼𝑎𝐶
Belitan jangkar fasa A
Belitan jangkar fasa B
Belitan jangkar fasa C

23. • Hubungan belitan jangkar generator sinkron tiga-fasa.
Hubungan bintang (wye, Y) 1. Terdapat dua macam tegangan
terminal generator:
• Tegangan masing-masing
belitan fasa (tegangan fasa ke
netral generator (VgLN) yaitu
VgA-N;VgB-N ; dan VgC-N).
• Tegangan antar belitan fasa
(tegangan fasa ke fasa
generator (VgLL) yaituVgA-B ;VgB-C
; dan VgC-A).
2. Arus yang mengalir pada masing-
masing belitan fasa adalah sama
dengan arus yang mengalir pada
masing-masing fasa generator,
contoh IL = IaA
3. Untuk hubungan bintang yang
seimbang:
𝑉𝑔𝐿𝐿 = 3𝑉𝑔𝐿𝑁 dan 𝐼𝐿 = 𝐼𝐿𝑁
sehingga daya mampu (S) yang
disalurkan generator dihitung
sebagai:
𝑆 = 3𝑉𝑔𝐿𝑁𝐼𝐿𝑁 = 3𝑉𝑔𝐿𝐿𝐼𝐿
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝑉𝑔𝐴
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐼𝑎𝐴
𝐸𝑎𝐵
𝑉𝑔𝐵
𝐼𝐿
𝐸𝑎𝐶
𝑉𝑔𝐶
𝐸𝑎𝐴
𝑉𝑔𝐴−𝐵
𝑵
Kondisi tiga-fasa seimbang adalah kondisi dimana
tegangan dan arus dari masing-masing fasa memiliki
magnituda yang sama besar dan berbeda fasa 120
satu sama lainnya.

24. • Konfigurasi hubungan belitan jangkar generator
sinkron tiga-fasa.
Hubungan segitiga (delta, )
𝑉𝑔𝐴
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐼𝑎𝐴
𝐸𝑎𝐵
𝐼𝐿
𝑉𝑔𝐶
𝐸𝑎𝐴
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐸𝑎𝐶
𝑅𝑎 𝑗𝑋𝑆
𝑉𝑔𝐵
𝑉𝑔𝐿𝐿
1. Hanya terdapat satu macam
tegangan terminal generator
yaitu tegangan antar fasa (VgLL)
yang sama dengan tegangan dari
masing-masig belitan fasa
generator.
2. Terdapat dua besaran arus yaitu
arus yang mengalir pada masing-
masing belitan fasa dan arus yang
mengalir pada setiap fasa
generator (IL).
3. Untuk hubungan delta seimbang:
Tegangan belitan sama dengan
tegangan fasa ke fasa, contoh
𝑉𝑔𝐴 = 𝑉𝑔𝐿𝐿, dan arus fasa sama
dengan akar tiga kali arus yang
mengalir pada belitan fasa,
contoh 𝐼𝐿 = 3𝐼𝑎𝐴
sehingga daya mampu (S) yang
disalurkan generator dihitung
sebagai:
𝑆 = 3𝑉𝑔𝐴𝐼𝑎𝐴 = 3𝑉𝑔𝐿𝐿𝐼𝐿

25. Diagram fasor rangkaian ekivalen generator sinkron
Untuk sitem tiga-fasa seimbang  rangkaian ekivalen masing-masing fasa
generator sinkron adalah identik (yang berbeda hanya pada sudut fasa
tegangannya)  cukup digambarkan rangkaian ekivalen per-fasa saja.
Diagram fasor untuk beberapa
kondisi pembebanan
Persamaan tegangan:
𝑽𝒈 = 𝑬𝒂 − (𝒋𝑿𝑺 + 𝑹𝒂)𝑰𝒂
atau
𝑬𝒂 = 𝑽𝒈 + (𝒋𝑿𝑺 + 𝑹𝒂)𝑰𝒂
Rangkaian ekivalen per-fasa belitan
jangkar generator sinkron
𝑅𝑎
𝑗𝑋𝑆
𝐸𝑎 𝑉
𝑔
𝐼𝑎
𝐼𝑎 𝑉
𝑔 𝐼𝑎𝑅𝑎
𝑗𝐼𝑎𝑋𝑆
𝐸𝑎
𝐼𝑎
𝑉
𝑔
𝐼𝑎𝑅𝑎
𝑗𝐼𝑎𝑋𝑆
𝐸𝑎
𝐼𝑎
𝑉
𝑔
𝐼𝑎𝑅𝑎
𝑗𝐼𝑎𝑋𝑆
𝐸𝑎
Beban resistif
Beban induktif
Beban kapasitif