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