9. bab ii kmj
Post on 15-Oct-2015
85 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
10
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengoperasian PLTP Unit IV Area Kamojang
Pengoperasian PLTP Unit IV Area Kamojang meliputi operasi unit pembangkit,
dari persiapan pasokan uap ke turbin, pengaturan suhu nominal pengaturan daya
keluaran dan daya reaktif, pengaturan frekuensi, pengawasan kondisi mesin, kondisi
elevasi air, pencatatan, pembuatan laporan berhubungan dengan unit pengatur beban
dalam mengatur daya yang akan dibangkitkan, pengamatan meteorologis dan
sebagainya.
Adapun unit-unit pembangkit yang dioperasikan tersebut meliputi turbin,
generator, transformator utama dan peralatan hubung, dari menjalankan, membebani
sampai dengan memberhentikan.
Sebelum menjalankan unit pembangkit, maka perlu diperhatikan terlebih dahulu
mengenai kondisi peralatan bantu dan sistem hubungannya. Selain itu kondisi normal
dari air pendingin, sistem minyak tekan, sistem minyak pelumas, persiapan peralatan
hubung, persiapan kontrol dan persiapan untuk memudahkan pengoperasian unit
pembangkit harus memenuhi persyaratan-persyaratan yang telah ditetapkan.
Pemeriksaan tambahan juga perlu dilakukan jika penghentian unit pembangkit
melampaui batas satu minggu.
Dalam pelaksanaannya, mengontrol unit pembangkit digunakan jenis sistem
SCADA dan DCS yang dilakukan secara remote (pengontrol jarak jauh) dari central
control room (ruang control utama). DCS mempunyai 6 posisi pengaturan, yaitu :
stop, inlet valve, start, exciter, paralel dan load. Pengontrolan unit pembangkit pada
setiap tahap operasi maupun dari tahap yang satu ke tahap yang berikunya, dapat
dilakukan dengan cara menempatkan posisi kontrol pada posisi yang dikehendaki.
-
11
Gambar 2.1 Skema diagram unit IV geothermal power plant
2.2 Proses Operasi PLTP Unit IV Area Kamojang
Gambar 2.2 Overview PLTP Unit IV PT. PGE Kamojang
-
12
Dalam proses pembangkitannya PLTP Unit IV Area Kamojang yang mampu
menghasilkan daya listrik sebesar 60 MW membutuhkan perlakuan steam yang cukup
rumit untuk menjaga agar dapat menghasilkan 60MW dalam safety operation.
Uap di PLTP Kamojang IV didapat dari reservoir dalam perut bumi.
Reservoir ini terbentuk di dalam tanah di atas lapisan batuan yang keras dan
ada di atas magma. Di atas lapisan batuan yang keras ini, terdapat rongga yang
mendapat air dari lapisan humus di bawah hutan penahan air hujan. Dalam
rongga ini air menjadi uap sehingga rongga ini menjadi rongga berisi uap
(menyerupai ketel uap atau boiler). Dari atas tanah dilakukan pengeboran ke
arah rongga ini sehingga uap menyembur ke atas permukaan bumi.
Suplai uap dari sumur produksi melalui sistem transmisi uap masuk ke
dalam steam receiving header yang dilengkapi dengan rupture disc sebagai
media pengumpul uap, apabila terjadi tekanan berlebih maka sebagian uap
akan di buang ke rock muffler untuk menstabilkan tekanan uap.
Gambar 2.3 Location of wells, pipelines and geothermal power plants
-
13
Gambar 2.4 Steam gathering system diagram Unit 4 geothermal power plant.
Pada steam gathering systemnya dibagi empat cluster yaitu terdiri dari :
Cluster 1 terdiri dari sumur KMJ-59, 53 dan 57.
Cluster 2 terdiri dari sumur KMJ-61.
Cluster 3 terdiri dari sumur KMJ-49, 48 dan 71.
Cluster 4 terdiri dari sumur KMJ-69, 76 dan 75.
Jalur masukan steam utama ke power plant, jalur ini adalah jalur steam dari SGS
yaitu sistem pengumpulan steam dari sumur-sumur produksi disemua cluster untuk
disatukan dalam satu header sebelum melewati MOV (motor operating valve) dan PV
(pressure valve) yang berfungsi mengendalikan aliran steam yang masuk ke power
plant. MOV akan full opened ketika PLTP beroperasi dan bekerja secara manual
sedangkan PV akan full closed ketika shut down dan bekerja otomatis. MOV da PV ini
secara sederhana berfungsi sebagai pengatur dan pemutus jalur distribusi steam yang
masuk ke power plant dari SGS.
Sebelum memasuki turbin, uap dilewatkan kejalur utama dengan urutan
separator, demister dan silencer. Silencer berfungsi sebagai jalur pembuangan
kondensat, demister berfungsi menangkap partikel (terutama benda padat) yang
terbawa steam, sedangkan separator berfungsi memisahkan kondensat dari
steam sehingga diperoleh uap berkadar air rendah, bertekanan tinggi, kering
-
14
dan bersuhu tinggi. Hal ini dimaksudkan untuk menghidari kerusakan pada
sudu sudu turbin sebagai akibat dari terdapatnya partikel-partikel padat tadi.
Terdapat sistem by pass pada pipa sepanjang MOV dan PV yang digunakan
saat proses heating line waktu power plant dalam keadaan starting up.
Uap ini kemudian diarahkan pada turbin sebagai penggerak generator.
Energi potensial berupa panas yang dikandung oleh uap akan berubah menjadi
energi kinetik. Ketika menyentuh sudu turbin, energi kinetik tersebut berubah
mejadi energi mekanik berupa putaran. Akhirnya energi mekanik berupa
putaran ini oleh generator dikonversikan menjadi energi listrik.
Exhaust steam dari turbin dikondensasikan di dalam kondensor dengan
sistem spray memakai air pendingin yang berasal dari menara pendingin. Non
condensable gas (NCG) yang masuk kedalam kondensor dihisap oleh ejector
pertama, kemudian masuk ke intercondensor sebagai media pendingin dan
media penangkap NCG, dari intercondensor NCG dihisap lagi oleh liquid ring
vacuum pump. NCG kemudian akan dialirkan menuju fan menara pendingin
untuk kemudian ditiupkan ke atmosfer.
Dari kondensor air hasil kondensasi dialirkan oleh hot well pump masuk
ke menara pendingin, selanjutnya air hasil pendinginan dari menara pendingin
disirkulasikan kembali ke dalam kondensor sebagai media pendingin. Aliran
yang berlebih dari basin menara pendingin kemudian ditampung di danau
Cikaro untuk kepentingan reinjection system.
-
15
Gambar 2.5 Single Line Diagram Electrical Power Plant
Dari single line diagram dapat kita lihat tegangan keluaran dari generator
sebesar 13.8 kV LL dengan frekuensi 50 Hz dan daya sebesar 80 MVA. Output ini
diinterkoneksikan dengan grid dan juga untuk pemakaian sendiri. Tegangan 13.8 kV
LL dinaikkan menjadi 150 kV LL oleh transformator step up. Tegangan ini
diinterkoneksikan di switch yard ke GI Kamojang. Tidak semua energi listrik yang
dibangkitkan oleh generator diinterkoneksikan ke grid, sebesar 6 MVA digunakan
untuk kebutuhan sendiri. Tegangan output sebesar 13.8 kV LL diturunkan oleh
transformator step down menjadi 6.3 kV. Tegangan ini digunakan untuk
menggerakkan motor- motor berdaya besar.
2.3 Deskripsi Komponen Alat di PLTP PT. PGE Unit IV Kamojang
2.3.1 Kepala Sumur dan Katup
Seperti halnya sumur-sumur minyak dan gas,di sumur panas bumi
juga dipasang beberapa katup untuk mengatur aliran fluida. Umumnya di
kepala sumur terdapat 4 buah katup:
Master valve atau shut off valve, untuk mengisolasi sumur ketika
hendak melakukan perbaikan atau perawatan.
-
16
Service valve, untuk mengatur aliran fluida yang akan
dimanfaatkan.
By pass valve, untuk mengatur aliran fluida yang ke silincer atau
tempat pembuangan.
Gambar 2.6 Valve di Kepala Sumur Uap Kering
Disamping itu biasanya di lengkapi juga oleh blade valve yaitu katup
untuk menyemburkan uap ke udara dengan laju aliran sangat kecil saat
sumur tidak diproduktifkan.
2.3.2 Scrubber
Scrubber merupakan alat yang digunakan untuk menggantikan fungsi dari
separator dan demister. Scrubber befungsi sebagasi pemisah uap air menjadi uap
dan air (fluida dua fasa) menggantikan fungsi separator. Dan juga sebagai pemisah
uap dari material padat.
-
17
Gambar 2.7 Scrubber
2.3.3 Silincer / Rock Muffler
Sejumlah besar uap dibuang ke atmosfer pada saat unit tidak
beroperasi atau pada saat penurunan beban. Hal ini menyebabkan gangguan
kebisingan pada daerah sekitar. Untuk mengurangi kebisingan dan untuk
mengontrol aliran fluida yang akan dibuang maka dibuatlah rock muffler.
Rock muffler merupakan bangunan terbuka yang didalamnya tersusun
banyak batu untuk meredam suara.
2.3.4 Turbin Uap
Turbin adalah suatu mesin penggerak dimana energi dari fluida kerja
uap, dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang
berputar dinamakan roda turbin. Roda turbin ini terletak didalam rumah turbin.
Roda turbin memutar poros yang menggerakan atau memutar bebannya, yang
dalam hal ini adalah generator listrik. Adapun data teknik turbin yang digunakan
pada PLTP Kamojang adalah sebagai berikut :
-
18
Tipe : Single casing double flow reaction
condensing
Rated output : 63,000 kW
Rated speed : 3,000 rpm
Main steam pressure : 11.0 bara
Main steam temperature : 184.07 " C
Exhaust pressure : 0.16 bara
Direction of rotation : Clockwise (view from generator side)
Number of blade stages : 24 (12 x 2 (double flow))
Last stage blade length : 487 mm
Main steam stop valves : 2X 550
Exhaust connection to condenser : 2 x (1,650 mm x 3,400 mm)
Total length of turbine : 7,310 mm
Gambar 2.8 Double Winding Turbin di PLTP Unit IV Kamojang
-
19
Turbin dilengkapi dengan :
1) Main stop valve dan governor valve, yang berguna untuk mengatur
jumlah aliran uap.
2) Barring gear (turning gear), yang berguna untuk memutar poros
turbin sewaktu unit dalam keadaan berhenti agar tidak terjadi
distorsi pada rotor akibat pendinginan yang tidak merata.
3) Bantalan aksial, yang berguna untuk menahan gaya aksial yang
terjadi.
2.3.5 Generator
Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik, berupa torsi dan
putaran rotor turbin, menjadi energi listrik. Makin besar energi mekanik yang
dihasilkan turbin makin besar pula energi listrik yang dihasilkan. Turbin,
generator dan exciter terletak dalam satu shaft (batang poros) yang sama. Data
teknik dari generator adalah sebagai berikut :
Generator Output : 80 MVA
Armature Voltage : 13.8 kV
Armature Current : 3347 A
Power Factor : 0.8
Frekuensi : 50Hz
Speed : 3000 rpm
Coolant Air Temperature : 43 degree
-
20
Gambar 2.9 Generator
2.3.6 Kondensor
Fungsi dari kondensor adalah untuk menciptakan tekanan vakum (tekanan
dibawah tekanan atmosfer). Proses terjadinya kondisi vakum ini adalah secara
termodinamik dan bukan secara mekanik. Hal ini dimungkinkan karena setelah
fluida keluar dari turbin yang sebagian besar masih berupa uap akan bercampur
dengan air dingin di kondenser akan mencapai kesetimbangan masa dan energi.
Seperti kita ketahui, uap memiliki volume ratusan kali lipat dari air atau dapat juga
dikatakan bahwa pada volume yang sama, air akan memiliki masa ratusan kali
lipat dari uap. Sehingga jika uap dalam masa tertentu mengisi seluruh ruangan
dalam kondenser kemudian disemprotkan air maka uap akan menyusut volumenya
karena sebagian atau seluruh uap berubah menjadi air (tergantung jumlah air yang
disemprotkan) yang memiliki volume jauh lebih kecil. Akibat penyusutan volume
uap dalam kondenser tersebut akan mengakibatkan kondisi ruangan dalam
kondenser menjadi vakum. Derajat kevakuman yang didapat bergantung pada
kandungan gas yang tidak dapat terkondensasi, kebersihan permukaan tabung
kondenser dan yang paling penting adalah temperatur kondensasi dari uap yang
dipengaruhi temperatur fluida pendingin yang tersedia.
Ada dua jenis kondensor, yaitu (a) direct contact or jet condenser dan (b)
surface condenser. Pada direct contact condenser, uap yang keluar dari turbin
langsung bersentuhan dengan fluida pendingin. Sedangkan pada surface
-
21
condenser, uap yang keluar dari turbin tidak bersentuhan langsung dengan fluida
pendingin. Proses pendinginannya terjadi pada alat penukar kalor (heat
exchanger) yang umumnya berupa shell and tube heat exchanger.
2.3.7 Menara Pendingin (Cooling Tower)
Cukup banyak air pendingin yang dibutuhkan oleh kondenser. Air dapat
berasal dari air sungai, namun sungai-sungai yang terdapat tidak jauh dari
lapangan panas bumi umumnya tidak cukup besar untuk menyerap panas. Cara
yang lebih banyak digunakan adalah dengan menggunakan cooling tower (menara
pendingin). Ada dua jenis cooling tower, yaitu mechanical draught cooling tower
dan natural draught cooling tower.
Menara pendingin berfungsi untuk membuang panas ke atmosfer
guna mendapatkan temperatur air yang lebih dingin untuk disirkulasikan
kembali ke main condenser. Menara pendingin yang digunakan di PLTP
Kamojang IV berjenis counter flow mechanical draught cooling tower.
Menara pendingin ini menggunakan fan untuk menghisap udara. Udara
dihisap melalui inlet air dari bawah masuk ke dalam menara pendingin
terus dihisap ke atas. Udara ini kontak langsung dengan air panas keluaran
kondensat yang dihujankan dari bak atas menuju bak penampung bawah
(basin). Sehingga air kondensat tadi memiliki temperatur yang jauh lebih
dingin dan dapat dimanfaatkan kembali sebagai media pendingin utama.
-
22
Gambar 2.10 Cooling Tower
2.3.8 Transformator
Transformator adalah suatu mesin listrik yang digunakan untuk
mentransformasikan daya/tenaga listrik dari sisi primer ke sisi sekunder. Terdapat
dua macam trafo yaitu step up yang berfungsi untuk menaikan tegangan dan step
down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan atau arus. Pada PLTP Unit IV
Area Kamojang digunakan 4 jenis trafo tegangan atau VT yaitu trafo step up
sebagai main trafo yang menaikan tegangan terminal dari generator 13.8 kV
menjadi tegangan transimisi 150 kV yang dialirkan ke grid jaringan PLN, trafo
step down yang menurunkan tegangan terminal generator 13.8 kV menjadi 6.3 kV
untuk beban motor-motor besar seperti di vacuum pump dan hot well pump,
kemudian trafo step down yang menurunkan tegangan 6.3 kV menjadi 400 V
untuk pengontrolan RTU, UPS disetiap cluster dan bebarapa motor. Selain trafo
tegangan terdapat juga trafo arus (CT) dan trafo potensial untuk menurunkan arus
dan potensial yang digunakan untuk sensing pada relay proteksi dan pengukuran
yang disesuaikan dengan besaran ukur yang digunakan.
Transformator Utama (TR-1411) Merupakan trafo 3 fasa dimana
kumparan berupa lilitan dan inti besi diisolasi dengan minyak. Fungsi dari main
transformator adalah untuk menaikkan tegangan terminal yang dihasilkan
generator ke tegangan transmisi 150 KV untuk diintekoneksikan ke grid PLN
-
23
dengan daya rata-rata 60 MW. Data teknik dari main transformator utama adalah
sebagai berikut:
Manufacture : Areva Indonesia-UNINDO
Tipe : Oil Immersed with Conservator
Kapasitas rata-rata : 80.000 KVA
Frekuensi : 50 Hz
Tegangan rata-rata primer : 13.8kV
Tegangan rata-rata sekunder : 150kV
Tipe pendingin : ONAN
Jenis penempatan : Outdoor
Hubungan kumparan : Y /
Temperatur Oli : 600 C
Temperatur belitan : 650 C
Gambar 2.11 Main Transformator
-
24
2.4. Prinsip Kerja Generator
Generator sinkron bekerja pada kecepatan dan frekuensi konstan dibawah
kondisi steady state. Prinsip kerja generator sinkron secara sederhana dapat
dijelaskan sebagai berikut. Arus DC (arus searah) yang mengalir pada kumparan
rotor akan menciptakan medan magnet, apabila rotor yang dihubungkan dengan as
generator tersebut dihubungkan dengan kecepatan konstan, maka pada putaran
stator akan membangkitkan tegangan induksi (tegangan bolak-balik), pada
generator penguatan sendiri (eksitasi sendiri), arus DC akan disuplai oleh stator,
besarnya arus listrik diatur melalui AVR (Automatic Voltage Regulator). Exciter
pada dasarnya merupakan generator kecil yang menyatu dengan generator utama.
Generator exciter merupakan generator kutub diluar (medan magnetik pada stator,
tegangan induksi dibangkitkan pada rotor). Arus DC untuk mensuplai stator
generator exciter yang dihasilkan oleh AVR dengan cara menyearahkan tegangan
AC yang dihasilkan oleh stator generator utama. Pada saat start dimana stator
generator utama belum bertegangan, arus DC dihasilkan tegangan dari baterai.
Apabila rotor generator utama diputar akan ikut berputar juga dan membangkitkan
tegangan AC 3 fasa. Tegangan AC 3 fasa ini akan disearahkan oleh jembatan
dioda sehingga menghasilkan arus searah untuk mensuplai rotor generator utama.
Tegangan yang dibangkitkan sebanding dengan arus pada rotor generator utama,
pada stator generator utama dihubungkan ke beban (konsumen) tegangan akan
berubah sesuai dengan bebannya. Untuk menjaga agar tegangan selalu konstan,
tidak bergantung pada perubahan beban, AVR akan mengatur besar-kecilnya arus
yang harus disuplai ke rotor generator utama dan menghasilkan EMF (electro
magnetic force) atau lebih dikenal dengan GGL (gaya gerak listrik) pada masing-
masing fasanya sebesar :
dt
demfe
)(
dimana :
e (emf) = gaya gerak listrik (V)
d = perubahan fluks (wb)
dt = perubahan waktu (s)
-
25
Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Energi listrik yang dibangkitkan dapat berupa arus bolak-balik (AC) ataupun arus
searah (DC). Pada pusat pembangkit tenaga listrik hampir semua generator yang
digunakan adalah generator arus bolak-balik (AC) sinkron tiga fasa ataupun
generator arus bolak-balik (AC) sinkron satu fasa tergantung dari kebutuhan.
2.5. Kontruksi Generator
Hampir semua mesin sinkron mempunyai kumparan jangkar berupa stator
yang diam dan struktur medan magnet berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada
struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melalui cincin
geser (slip ring) dan sikat arang (carbon brush), tetapi ada juga yang tidak
mempergunakan sikat arang yaitu system brushless excitation.
Adapun gambar kontruksi generator dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.12 Kontruksi Generator
Generator sinkron 3 fasa memiliki 2 bagian utama yaitu :
1) Stator
Stator adalah bagian yang diam (stationary) dengan kumparan yang
menghasilkan tegangan dan dihubungkan ke jaringan luar. Sebagaimana ciri khas
semua perlengkapan listrik, stator generator terdiri dari baja yang berfungsi
melindungi bagian dalam generator, kotak terminal ataupun name plate generator
dan inti stator yang terbuat dari bahan ferro magnetik yang berlapis-lapis dan
terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan
-
26
tempat untuk menghasilkan tegangan. Inti stator dibuat berlapis-lapis untuk
memperkecil rugi arus eddy. Dengan bahan yang mempunyai kualitas listrik yang
baik maka permeabilitas dan resistivitas bahan tinggi. Pada mesin-mesin yang
berkecepatan tinggi biasa digunakan mesin yang kutubnya dua atau empat dan
bisa juga menggunakan mesin dengan jumlah kutub lebih banyak.
2) Rotor
Rotor adalah bagian yang digerakan secara mekanis dan berputar pada
kecepatan tetap (konstan). Arus searah pada kumparan medan yang terletak pada
rotor ini merupakan sumber utama dari fluksi. Ada dua jenis yang digunakan pada
generator yaitu jenis kutub sepatu (salient pole) dan jenis silinder (cylindrical
type). Rotor jenis sepatu digunakan untuk untuk generator dengan kecepatan
rendah dan medium, diameter rotor besar dan rotornya rendah. Sedangkan rotor
jenis silinder digunakan untuk generator kecepatan tinggi, biasanya dua atau
empat kutub, diameter rotornya kecil dan rotornya panjang. Kelebihan dari rotor
jenis silinder adalah keseimbangan yang lebih baik, operasinya lembut (tidak
bising). Adapun gambar rotor dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.13 Stator dan Rotor
2.6. Kecepatan Putaran
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron
dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian
elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah
-
27
putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin
dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
dimana :
fe = frekuensi listrik (Hz)
nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)
p = jumlah kutub magnet
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan
magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar
rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan
tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada
kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh
untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan
kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub,
rotor harus berputar pada 1500 rpm.
2.7. Generator Tanpa Beban
Saat alternator diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan
(field current) atau If, maka kumparan jangkar stator akan menginduksikan
tegangan tanpa beban (Eo).
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus
medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikan, maka tegangan output juga akan
naik sampai titik saturasi (jenuh).
Seperti pada gambar di bawah ini :
-
28
Gambar 2.14 Karakteristik dan rangkaian pengganti generator sinkron
ab = tambahan arus medan yang diperlukan untuk daerah jenuh
E0 = Tegangan tanpa beban
Ra = Tahanan Stator
Xl = Fluks bocor
2.8. Generator Berbeban
Tiga macam sifat beban jika dihubungkan dengan generator, yaitu : beban
resistif, beban induktif, dan beban kapasitif. Akibat pembeban ini akan
berpengaruh terhadap tegangan beban dan faktor dayanya. Gambar di bawah
menunjukkan jika beban generator bersifat resistif mengakibatkan penurunan
tegangan relatif kecil dengan faktor daya sama dengan satu. Jika beban generator
bersifat induktif terjadi penurunan tegangan yang cukup besar dengan faktor daya
terbelakang (lagging). Sebaliknya, jika beban generator bersifat kapasitif akan
terjadi kenaikan tegangan yang cukup besar dengan faktor daya mendahului
(leading).
Beban di generator akan dapat merubah harga tegangan keluarannya.
Perubahan tegangan terminal (V) diakibatkan :
1. Drop tegangan pada tahanan jangkar (Ra)
2. Drop tegangan pada reaktansi bocor ( XL) dan reaktansi jangkar (Xa) yang
di sebut reaktansi singkron (Xs)
Xs = Xa + XL
V
Ra Xl
E0
E
Ifa b
-
29
Gambar 2.15 Karakteristik Generator Berbeban
Hubungan antara tegangan tanpa beban (Eo ) dengan tegangan berbeban (V)
disebut regulasi tegangan, yang dinyatakan sebagai berikut :
Dimana : Eo = GGL induksi perfasa
VLN = Tegangan L N
2.9. Generator Dengan Sistem Eksitasi Dengan Sikat
Pada sistem eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listriknya berasal
dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik (AC) yang
disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Jika menggunakan
sumber listrik listrik yang berasal dari generator AC atau menggunakan
permanent magnet generator (PMG) medan magnetnya adalah magnet permanen.
Dalam lemari penyearah, tegangan listrik arus bolak balik diubah atau
disearahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol kumparan medan
eksiter utama (main exciter). Untuk mengalirkan arus eksitasi dari main exciter ke
rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang, demikian juga penyaluran
arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter .
-
30
Gambar 2.16 Sistem Eksitasi dengan sikat (Brush Excitation).
1) Prinsip kerja pada sistem Eksitasi dengan sikat (Brush Excitation)
Generator penguat yang pertama, adalah generator arus searah hubungan
shunt yang menghasilkan arus penguat bagi generator penguat kedua. Generator
penguat (exciter) untuk generator sinkron merupakan generator utama yang
diambil dayanya. Pengaturan tegangan pada generator utama dilakukan dengan
mengatur besarnya arus eksitasi (arus penguatan) dengan cara mengatur
potensiometer atau tahanan asut. Potensiometer atau tahanan asut mengatur arus
penguat generator pertama dan generator penguat kedua menghasilkan arus
penguat generator utama. Dengan cara ini arus penguat yang diatur tidak terlalu
besar nilainya (dibandingkan dengan arus generator penguat kedua) sehingga
kerugian daya pada potensiometer tidak terlalu besar. PMT arus penguat generator
utama dilengkapi tahanan yang menampung energi medan magnet generator
utama karena jika dilakukan pemutusan arus penguat generator utama harus
dibuang ke dalam tahanan.
Sekarang banyak generator arus bolak-balik yang dilengkapi penyearah
untuk menghasilkan arus searah yang dapat digunakan bagi penguatan generator
utama sehingga penyaluran arus searah bagi penguatan generator utama, oleh
generator penguat kedua tidak memerlukan cincin geser, karena penyearah ikut
berputar bersama poros generator. Cincin geser digunakan untuk menyalurkan
arus dari generator penguat pertama ke medan penguat generator penguat kedua.
Nilai arus penguatan kecil sehingga penggunaan cincin geser tidak menimbulkan
masalah.
Stator
Rotor Rotor current
Medan magnet Static exciter
Trafo exciter
Rotor Voltage
-
31
Pengaturan tegangan otomatis pada awalnya berdasarkan prinsip mekanis,
tetapi sekarang sudah menjadi elektronik. Perkembangan sistem eksitasi pada
generator sinkron dengan sistem eksitasi tanpa sikat, karena sikat dapat
menimbulkan loncatan api pada putaran tinggi. Untuk menghilangkan sikat
digunakan dioda berputar yang dipasang pada jangkar.
2.10. Generator Dengan Sistem Eksitasi Tanpa Sikat
Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus eksitasi ke rotor
generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan
pada sikat arang relatif kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat arang,
digunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation).
Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation),
antara lain adalah:
a) Energi yang diperlukan untuk eksitasi diperoleh dari poros utama (main
shaft), sehingga keandalannya tinggi.
b) Biaya perawatan berkurang karena pada sistem eksitasi tanpa sikat
(brushless excitation) tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring.
c) Pada sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi
kerusakan isolasi karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat
arang.
d) Mengurangi kerusakan (trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab
semua peralatan ditempatkan pada ruang tertutup.
e) Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga meningkatkan
keandalan operasi dapat berlangsung terus pada waktu yang lama.
f) Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan
bus exciter atau kabel tidak diperlukan lagi.
g) Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel
tidak memerlukan pondasi.
-
32
Gambar 2.17 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (Brushless Excitation)
1) Prinsip Kerja Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (Brushless Excitation)
Generator penguat pertama disebut pilot exciter dan generator penguat
kedua disebut main exciter (penguat utama). Main exciter adalah generator arus
bolak-balik dengan kutub pada statornya. Rotor menghasilkan arus bolak-balik
disearahkan dengan dioda yang berputar pada poros main exciter (satu poros
dengan generator utama). Arus searah yang dihasilkan oleh dioda berputar
menjadi arus penguat generator utama. Pilot exciter pada generator arus bolak-
balik dengan rotor berupa kutub magnet permanen yang berputar menginduksi
pada lilitan stator. Tegangan bolak-balik disearahkan oleh penyearah dioda dan
menghasilkan arus searah yang dialirkan ke kutub-kutub magnet yang ada pada
stator main exciter. Besar arus searah yang mengalir ke kutub main exciter diatur
oleh pengatur tegangan otomatis automatic voltage regulator (AVR). Besarnya
arus berpengaruh pada besarnya arus yang dihasilkan main exciter, maka besarnya
arus main exciter juga mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh
generator utama.
Pada sistem eksitasi tanpa sikat, permasalahan timbul jika terjadi hubung
singkat atau gangguan hubung tanah di rotor dan jika ada sekering lebur dari
dioda berputar yang putus, hal ini harus dapat dideteksi. Gangguan pada rotor
yang berputar dapat menimbulkan distorsi medan magnet pada generator utama
dan dapat menimbulkan getaran (vibrasi) berlebihan pada unit pembangkit.
Rotor current
-
33
2.11. Sistem Eksitasi Generator Sinkron Tiga Fasa
Sistem ini merupakan sistem yang vital pada proses pembangkitan listrik
dan pada perkembangannya, karena berfungsi sebagai penguatan generator
sinkron tiga fasa, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik.
Sistem eksitasi pada generator listrik ini dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu:
sistem eksitasi dinamik dan sistem eksitasi statik.
2.11.1. Sistem Eksitasi Dinamik
Sistem eksitasi dinamik adalah sistem eksitasi yang sumber tenaga
listriknya berasal dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik
(AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Jika
menggunakan sumber listrik listrik yang berasal dari generator AC atau
menggunakan permanent magnet generator (PMG) medan magnetnya adalah
magnet permanen. Dalam lemari penyearah, tegangan listrik arus bolak balik
diubah atau disearahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol
kumparan medan eksiter utama (main exciter). Untuk mengalirkan arus eksitasi
dari main exciter ke rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang,
demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter.
Pengaturan tegangan pada generator utama dilakukan dengan mengatur besarnya
arus eksitasi (arus penguatan) dengan cara mengatur potensiometer atau tahanan
asut. Potensiometer atau tahanan asut mengatur arus penguat generator pertama
dan generator penguat kedua menghasilkan arus penguat generator utama. Dengan
cara ini arus penguat yang diatur tidak terlalu besar nilainya (dibandingkan
dengan arus generator penguat kedua) sehingga kerugian daya pada potensiometer
tidak terlalu besar. PMT arus penguat generator utama dilengkapi tahanan yang
menampung energi medan magnet generator utama karena jika dilakukan
pemutusan arus penguat generator utama harus dibuang ke dalam tahanan.
Sekarang banyak generator arus bolak-balik yang dilengkapi penyearah
untuk menghasilkan arus searah yang dapat digunakan bagi penguatan generator
utama sehingga penyaluran arus searah bagi penguatan generator utama, oleh
generator penguat kedua tidak memerlukan cincin geser karena.penyearah ikut
berputar bersama poros generator. Cincin geser digunakan untuk menyalurkan
-
34
arus dari generator penguat pertama ke medan penguat generator penguat kedua.
Nilai arus penguatan kecil sehingga penggunaan cincin geser tidak menimbulkan
masalah.
Pengaturan besarnya arus penguatan generator utama dilakukan dengan
pengatur tegangan otomatis supaya nilai tegangan klem generator konstan.
Pengaturan tegangan otomatis pada awalnya berdasarkan prinsip mekanis, tetapi
sekarang sudah menjadi elektronik. Perkembangan sistem eksitasi pada generator
sinkron dengan sistem eksitasi tanpa sikat. Untuk menghilangkan sikat digunakan
dioda berputar yang dipasang pada jangkar.
Gambar 2.18 Sistem Eksitasi Dinamik
2.11.2. Sistem Eksitasi Statik
Penguat statik yang digunakan disini adalah penyearah setengah gelombang
fasa tiga dengan thyristor. Rangkaian penyarah tersebut ditunjukan dengan
gambar 2.20.
Stator
Rotor Rotor current
Medan magnet Static exciter
Trafo exciter
Rotor Voltage
-
35
Gambar 2.19 Diagram Waktu Penyalaan Thyristor
Sedangkan diagram yang menunjukan tegangan keluar penyearah sebagai
fungsi waktu dengan sudut penyalaan yang berbeda-beda ditunjukan oleh gambar
2.20 dibawah ini dioda FD dalam rangkaian ini bertindak sebagai pembuang
energi yang tersimpan didalam kumparan medan. Selain sebagai pembuang energi
yang tersimpan didalam kumparan medan. Selain sebagai pembuang energi yang
tersimpan didalam induktansi medan, dioda FD juga berfungsi sebagai
pemercepat reaksi AVR. Dari gambar 2.19, terlihat bahwa tegangan searah pada
rangkaian medan dapat diatur dengan mengatur besarnya sudut penyalaan.
Gambar 2.20 Jembatan Thyristor
-
36
2.12 Sinkronisasi Generator
Bila dua sistem tegangan bolak-balik (AC) akan di paralel, maka kesamaan
dari tiga kondisi atau parameter berikut ini harus dipenuhi. Kondisi tersebut
adalah :
1. Tegangan
2. Frekuensi
3. Perbedaan fasa (sudut fasa)
Dua kondisi yang terakhir merupakan konstanta yang berkaitan dengan
rancang bangun dan operasinya tidak dapat dikontrol. Sedang tiga kondisi lainnya
harus dikontrol agar tegangan frekuensi dan sudut fasanya sama sebelum
dihubungkan. Proses ini disebut sebagai mensinkronkan.
1) Tegangan
Antara tegangan generator (yang akan dipararel) dengan tegangan sistem
jaringan harus sama besarnya (nilainya). Untuk menyamakan, maka tegangan
generator harus diatur, yaitu dengan mengatur arus eksitasinya.
Apabila tegangan generator lebih tinggi dari tegangan sistem, maka mesin
(generator) akan mengalami sentakan beban M Var lagging (induktif), artinya
generator mengirim daya reaktif ke sistem. Sebaliknya bila tegangan generator
lebih rendah dari pada tegangan sistem, mesin akan mengalami sentakan beban M
Var Leading (kapasitif), artinya generator menyerap daya reaktif dari sistem.
2) Frekuensi
Frekuensi generator dan frekuensi sistem harus sama (match). Untuk
menyamakan, maka putaran generator harus diatur, yaitu dengan cara mengatur
katup governour (aliran uap masuk turbin). Jika frekuensi generator lebih tinggi
dari pada frekuensi sistem, sistem akan mengalami sentakan beban MW dari
mesin, artinya mesin membangkitkan MW. Sebaliknya jika generator
frekuensinya lebih rendah dari pada sistem, mesin akan mengalami sentakan MW
dari sistem , artinya mesin menjadi motor.
-
37
3) Perbedaan Fasa
Sudut fasa antara generator dan sistem harus sama. Untuk menyamakannya
fasa generator harus diatur, yaitu dengan cara mengatur kecepatan generator
dengan katup governour. Apabila terjadi perbedaan fasa antara generator dengan
sistem akan mengakibatkan sentakan perpindahan daya antara mesin dan sistem.
Hal ini mengakibatkan kondisi gangguan dan terjadinya sirkulasi arus antara
mesin dan sistem yang besarnya ditentukan oleh perbedaan antara keduanya.
Di dalam penyediaan listrik, perusahaan listrik mempunyai kewajiban untuk
menyediakan kualitas listrik yang stabil kepada pelanggan. Kualitas tersebut
meliputi frekuensi dan tegangan yang selau konstan.
Frekuensi di Indonesia menggunakan standard 50 Hz. Variasi frekuensi
sebaiknya tidak melebihi 1 % dari 50 Hz, yaitu : 49,5 - 50,5Hz atau 2970 - 3030
Rpm. Bila ferkuensi menyimpang dari 50 Hz , maka jam listrik dan putaran motor
akan berubah sehingga untuk peralatan yang presisi atau teliti perubahan ini dapat
mengakibatkan terganggunya operasi alat. Batas waktu penyimpangan yang
diperbolehkan dan tidak menimbulkan pengaruh adalah selama 10 detik.
Jika jumlah pembangkitan MW melebihi kebutuhan pelanggan (konsumen),
maka kelebihan energi ini menaikan putaran rotor semua turbin generator yang
terhubung ke sistem sehingga frekuensi naik. Sebaliknya bila kebutuhan beban
pelanggan lebih besar dari MW yang dibangkitkan , maka semua turbin generator
putarannya berkurang sehingga frekuensinya turun .
Tegangan nominal untuk sistem tegangan rendah kepada pelanggan adalah 220
Volt. Variasi tegangan yang disarankan tidak melebihi 6% dari tegangan
nominalnya. Jadi untuk tegangan nominal 220 Volt rentangnya adalah 206,8~
233,2 V. Tidak seperti frekuensi, tingkat (level) tegangan pada seluruh sistem
tidak sama. Tegangan sistem dapat dipengaruhi oleh keadaan setempat atau
lingkungan.
4) Sudut Fasa dan Synchroscope
Seringkali terdapat kerancuan antara perbedaan fasa dan frekuensi. Frekuensi
adalah banyaknya siklus (sinusoida) dalam satu detik dari suatu sirkuit listrik.
-
38
Sedang perbedaan fasa adalah pergeseran sudut antara satu sirkuit dengan sirkit
listrik yang lain untuk fasa yang sama, lihat gambar dibawah ini.
Untuk dapat melihat perbedaan fasa secara grafis diperlukan instrument
oskiloscope. Tetapi didalam penerapannya menjadi tidak praktis untuk memasang
osiloskop pada panel listrik (alternator). Sebagai gantinya dipasang sinkroskop
dan lampu untuk mengetahui perbedaan fasa ini. Didalam sinkroskop ini hanya
ditunnjukan keterangan slow, dan fast, serta titik atau garis yang terletak
diantaranya. Apabila jarum menunjuk kearah flow, artinya fasa alternator
tertinggal dibelakang fasa sistem, sedang apabila jarum menunjuk kearah fast,
artinya, fasa alternator lebih cepat dari fasa sistem.
Perbedaan fasa adalah nol apabila jarum sinkroskop menunjukan titik nol
(jam 12) atau garis tegak diantara slow dan fast. Untuk sinkronisasi harus
dilakukan pada saat jarum bergerak pelan kearah fast atau berhenti pada posisi
titik nol atau mendekati titik nol antara slow dan fast. Apabila jarum berhenti tidak
pada posisi titik nol, sinkronisasi tidak boleh dilakukan, karena ini berarti masih
ada perbedaan fasa. Dan besarnya perbedaan fasa adalah jarak antara jarum
berhenti dengan titik nol. Sinkronisasi yang dilakukan pada saat sudut fasa tidak
sama dengan nol atau mendekati nol dapat mengakibatkan kerusakan pada trafo
dan alternator, karenan hal ini berarti terjadi sentakan aliran arus sirkulasi dari
alternator ke sistem atau dari sistem ke alternator.
Gambar 2.21 Kurva Perbedaan Fasa
2.13 Pengaturan Tegangan
Tegangan generator sinkron dalam keadaan berbeban akan lebih rendah
nilainya dari pada tegangan generator sinkron dalam keadaan tanpa beban. Nilai
relatif, yaitu nilai selisih antara tegangan dalam keadaan berbeban penuh dengan
-
39
keadaan tanpa beban biasanya disebut dengan regulasi tegangan atau voltage
regulation (VR).
dimana:
VR = regulasi tegangan (voltage regulation)
VNL = tegangan tanpa beban (no load voltage)
VFL = tegangan beban penuh (full load voltage)
Generator-generator sekarang dirancang dan dibuat untuk tegangan yang
bervariasi akibat dari adanya variasi arus jangkar atau variasi beban yang
menimbulkan turunnya tegangan (voltage drop) pada kumparan jangkar yang
bervariasi pula. Jatuhnya tegangan impedansi tersebut tergantung kepada besar
arus dan faktor daya beban. Dengan pengaturan arus eksitasi, tegangan dapat
diatur sesuai dengan kebutuhan. Untuk menaikkan tegangan, arus eksitasi dapat
ditambah dan berlaku juga sebaliknya.
Yang dimaksud dengan eksitasi atau biasa disebut sistem penguatan
adalah suatu perangkat yang memberikan arus penguat (If) kepada kumparan
medan generator arus bolak-balik (alternating current) yang dijalankan dengan
cara membangkitkan medan magnetnya dengan bantuan arus searah.
Sistem penguatan dapat digolongkan berdasarakan cara penyediaan tenaganya,
yaitu:
1. Sistem penguatan sendiri.
2. Sistem penguatan terpisah.
Untuk generator berkapasitas besar umumnya digunakan sistem penguatan
sendiri. Sistem penguatan ini digunakan pada generator tanpa sikat (brushless
alternator). Generator tanpa sikat ini mempunyai exciter yang kumparan
jangkarnya pada rotor dan kumparan medannya pada stator. Arus penguatan
didapat dari induksi magnet sisa (remanensi) pada stator generator utama yang
diberikan oleh stator generator penguat. Arus tersebut diatur terlebih dahulu oleh
AVR (automatic voltage regulator) yang merupakan alat pengatur tegangan yang
bekerja secara otomatis. AVR dalam hal ini melakukan pengaturan tegangan.
Arus yang dihasilkan oleh rotor generator penguat akan disearahkan dengan
-
40
menggunakan dioda putar (rotating diode) yang ikut berputar dengan kedua rotor
generator yang berputar. Sistem penguatan sendiri dipasang pada ujung poros
generator utamanya.
Gambar 2.22 Self excited controled generator
Sebagai salah satu contoh sistem eksitasi penguatan sendiri yang dipakai
adalah sistem eksitasi penguatan sendiri dengan menggunakan magnet permanen
(permanent magnet generator excited-AVR controlled generators). Dalam hal ini,
generator magnet permanen (PMG) berperan memberikan suplai untuk sistem
eksitasi melalui AVR dimana AVR berperan sebagai alat untuk mengontrol
tingkat eksitasi yang disediakan untuk medan exciternya. AVR akan memberikan
respon terhadap sinyal tegangan yang dirasakannya melalui transformator
berisolasi (isolating transformer) dari kumparan stator utama. Dengan
mengendalikan suplai yang rendah dari medan eksitasinya, kontrol untuk suplai
yang tinggi yang diperlukan pada medan exciter dapat terpenuhi melalui keluaran
penyearah dari stator eksitasi. Sistem ini menghasilkan sumber eksitasi yang
-
41
konstan dan mampu menyediakan start motor yang tinggi dan juga memiliki
kekebalan terhadap gangguan berbentuk gelombang (waveform distortion) pada
keluaran stator utama yang dapat terjadi karena adannya beban yang non linear.
AVR akan merasakan tegangan dua fasa rata-rata mendekati regulasi tegangan
yang diinginkan. AVR ini juga mampu mendeteksi perubahan kecepatan mesin
dan dapat mengatasi tegangan turun sebagai akibat turunnya kecepatan putaran
mesin dibawah frekuensi yang telah ditentukan sehingga dapat menghindari
eksitasi berlebih pada saat kecepatan mesin rendah dan memperhalus dampak dari
perubahan beban (load switching) untuk menghindari kerusakan mesin. Sistem ini
juga menyediakan proteksi untuk eksitasi berlebih yang bekerja dengan waktu
tunda tertentu ketika terjadi lonjakan tegangan medan eksitasi.
Gambar 2.23 Permanent Magnet Generator (PMG) Excited
top related