IV. SISTEM EKSITASI MENGGUNAKAN PERMANEN MAGNET
IV.2 Peralatan Yang Digunakan
PLTD di Sun Plaza menggunakan generator sinkron buatan Mitsubishi Heavy
Industries, Ltd. Generator ini menggunakan sistem eksitasi dengan menggunakan
generator magnet permanen.
Spesifikasi generator yang digunakan pada PLTD ini adalah sebagai berikut :
Model : Mitsibishi MGS Series 2500C
Type Model : MG-HC7H
Jumlah Fasa : 3
Jumlah kutub : 4
Putaran : 1500 rpm
Frekuensi : 50 Hz
Daya keluaran : 2000 kVA
Kapasitas Daya Aktif : 1600 kW
Rating Tegangan : 380 V
Rating arus : 3000 A
Faktor daya : 0.8 lag
Eksitasi : 52 V / 2.9 A
Sistem penguatan : Sendiri (PMG - AVR MX321)
Media pendingin : Udara
Tahanan belitan stator : 0.00126 Ohm Tahanan belitan rotor : 1.85 Ohm
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Diagram dari sistem eksitasi dengan menggunakan PMG dapat dilihat pada Gambar 4.2. Poros AVR Stator PMG Rotor PMG Output Penyearah Generator Utama Stator Rotor Eksiter Pilot Eksiter Rotor Stator 1 3 2 4 Isolating Transformer
Gambar 4.2 Diagram sistem eksitasi dengan menggunakan PMG
Semua peralatan pada Gambar 4.2 di atas bekerja dalam satu koordinasi sehingga apabila salah satu peralatan tidak berfungsi maka proses eksitasi tidak dapat berlangsung, dari Gambar 4.2 di atas diperoleh ada 4 (empat) bagian utama dalam menghasilkan arus eksitasi pada generator sinkron yaitu :
1. PMG (Pilot Eksiter)
2. Automatic Voltage Generator(AVR) 3. Eksiter Utama (Penguat Utama) 4. Rotating Diodes (Penyearah)
Bila terjadi penurunan tegangan keluaran generator utama, maka arus ekistasi yang disuplai pada rotor generator utama harus dinaikkan sampai generator bekerja pada tegangan nominal. Karena rotor PMG adalah magnet permanen, maka daya
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
keluaran dari PMG adalah konstan, arus eksitasi generator utama hanya bisa diatur dengan mengatur arus eksitasi yang disuplai pada generator eksiter, dimana dalam hal ini AVR yang dilengkapi alat pengontrol arus medan mengatur arus eksitasi yang disuplai pada generator eksiter. Bila arus eksitasi generator eksiter dinaikkan maka tegangan yang dihasilkan eksiter juga semakin besar.
IV.2.1 PMG (Pilot Eksiter)
Seperti halnya generator sinkron biasa, konstruksi PMG hampir sama dengan generator sinkron arus bolak-balik, kumparan jangkar diletakkan pada bagian stator dan kumparan medan digantikan oleh magnet permanen yang diletakkan dipermukaan atau ditanam dibagian rotor sehingga tidak memerlukan sumber eksitasi. Magnet yang diletakkan dipermukaan rotor dan generator dioperasikan pada kecepatan tinggi maka diperlukan alat penopang yang terbuat dari campuran baja atau fiber carbon yang menahan magnet permanen. Secara umum komponen permanent magnet generator terdiri dari stator, rotor dan magnet permanen.
1. Stator
Stator adalah bagian yang diam dari generator yang berfungsi sebagai tempat kumparan jangkar. Bentuk sator pada PMG terdiri dari dua yaitu : yang memiliki alur (slot) dan tanpa memiliki alur (slot).
a. Stator tanpa menggunakan alur
Pada generator ini kumparan jangkar diletakan di celah udara generator sehingga jumlah belitan lebih banyak karena ruang yang lebih besar, sehingga menghasilkan rugi-rugi konduktor yang rendah karena arus
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
yang mengalir lebih sedikit pada setiap kumparan. Ruang kosong celah udara lebih besar dibandingkan dengan stator dengan menggunakan alur karena kumparan jangkar berada pada celah udara sehingga kerapatan fluksi berkurang, seperti pada gambar 4.3 berikut.
Gambar 4.3 Stator tanpa menggunakan alur b. Stator dengan Alur (slot)
Alur berfungsi sebagai tempat meletakkan kumparan jangkar. Dengan menggunakan alur akan diperoleh jarak yang yang dekat antara kumparan dengan magnet untuk memngurangi kebocoran fluksi. Stator dengan menggunakan alur dapat dilihat pada gambar 4.4 berikut ini :
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
2. Rotor
Rotor adalah bagian yang berputar, rotor merupakan tempat meletakkan magnet permanen, dimana pada inti rotor tersebut telah dibentuk ruang untuk meletakkan magnet permanen. Rotor dari sebuah permanent magnet generator seperti pada gambar 4.5 berikut.
Gambar 4.5 Rotor permanent magnet generator 3. Magnet Permanen
Bahan ferromagnetik adalah bahan yang paling sering digunakan. Material magnet permanen yg sering digunakan adalah Alnico, Ferrites , SmCo material, NdFeB material.
Pada Gambar 4.6 terlihat bentuk sederhana dari PMG.
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Pada sistem eksitasi ini, sumber eksitasi dihasilkan oleh sebuah generator kecil dengan menggunakan Permanent Magnet generator (PMG). Pilot Eksiter merupakan generator yang memiliki magnet permanent. Oleh karena itu, generator ini sering disebut dengan Permanent Magnet Generator (PMG). Magnet permanen yang dimiliki oleh PMG ini terletak pada rotor sehingga apabila diputar akan memotong garis-garis gaya yang ada pada stator sehingga menimbulkan tegangan imbas pada stator. Tegangan imbas yang dihasilkan merupakan arus bolak-balik.
Rotornya merupakan sebuah magnet permanen yang terletak seporos dengan penguat utama dan generator utama, sedangkan pada statornya terdapat belitan jangkar sebagai tempat dihasilkannya tegangan induksi dari magnet permanen yang berputar. Daya yang dihasilkan oleh PMG ini merupakan sumber eksitasi pertama yang akan disearahkan melalui AVR dan selanjutnya diteruskan ke pengeksitasi utama (eksiter utama).
Pada saat generator belum beroperasi atau PMG belum berputar, rotor PMG telah menghasilkan fluks magnetik yang konstan. Hal ini disebabkan karena rotor dari PMG ini adalah magnet permanen. Fluks magnetik yang ditimbulkan oleh PMG tersebut akan diinduksikan pada kumparan jangkar (stator). Sehingga pada kumparan rotor tersebut akan dihasilkan fluksi magnet yang konstan. Namun pada stator tersebut belum dihasilkan tegangan induksi karena belum ada perubahan fluks terhadap waktu.
Magnet permanen apabila diputar fluks magnet akan memotong garis-garis gaya yang ada pada stator sehingga menimbulkan tegangan imbas pada stator. Tegangan imbas yang dihasilkan merupakan arus bolak-balik.
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Pada saat generator diputar dari putaran nol sampai mencapai kecepatan nominal, maka pada rotor PMG akan dihasilkan medan putar. Medan putar ini akan diinduksikan pada stator. Sehingga pada stator tersebut akan dihasilkan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut.
Hasil pengukuran tegangan dan arus keluaran PMG yang pernah dilakukan adalah sebesar 170 Volt dan 3 Amp, dimana saat itu salah satu Generator bekerja dengan keluaran daya 1350 kW, frekuensi 50.03 Hz, putaran 1500rpm, dan Arus keluaran generator 2190 Amp pada tegangan 380 Volt.
PMG ini memiliki data spesifikasi sebagai berikut :
Tegangan : 170 Vac
Arus : 3 A / Phase
Frekuensi : 100 Hz
Fasa : 3 fasa 3 kawat
Jumlah Kutub : 8
Tahanan belitan satator : 2.6 Ohm
Gambar konstruksi dari rotor dan sator dari Permanent magnet generator seperti pada Gambar 4.7.
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Gambar 4.7 Konstruksi rotor dan stator dari Permanent Magnet Generator
IV.2.2 Automatic Voltage Generator (AVR)
Tegangan yang dihasilkan oleh generator tidak selalu dihasilkan sesuai dengan ratingnya. Tegangan ini dapat turun atau lebih besar tergantung dengan jenis beban dan besarnya beban. Untuk beban induktif, tegangan pada generator dapat turun sehingga perlu menaikkan arus eksitasi yang diberikan, sedangkan untuk beban kapasitif, tegangan yang dihasilkan oleh generator dapat naik sehingga arus eksitasi diturunkan. Untuk menjaga tegangan keluaran generator tetap maka perlu dilakukan penambahan atau pengurangan arus eksitasi. Pengaturan tegangan pada generator agar tegangan keluarannya tetap adalah dengan menggunakan suatu rangkaian pengatur tegangan yang terdiri dari beberapa rangkaian yang saling mendukung yang sering disebut dengan Automatic Voltage Regulator (AVR).
Pengatur tegangan yang digunakan adalah AVR MX321, merupakan AVR jenis thyristor, dimana daya masukan adalah sumber tiga fasa dari PMG yang kemudian disearahkan oleh power rectifier yang terdiri dari penyearah thyristor yang merupakan bagian dari AVR MX321. Disamping sebagai pengatur tegangan,
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
rangkaian AVR juga dilengkapi alat pengontrol untuk menjamin keandalan dari generator. AVR dihubungkan dengan belitan stator generator utama melalui isolating
transformer yang berfungsi mengontrol daya yang disuplai pada stator eksiter dan
sampai pada belitan rotor generator utama untuk menjaga tegangan keluaran pada batas yang ditetapkan, jadi tugas utama dari AVR ini adalah :
a. Untuk mengatur keluaran tegangan generator b. Untuk mengatur arus ekistasi
c. Untuk mengatur Volt/Hertz
Diagram skematik proses eksitasi menggunakan AVR MX321 dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan tampilan dari AVR MX321 seperti pada Gambar 4.9.
PMG AC Exc Gen VD VED SMX PSN OEL MEL V/Hz PCR PGR PT 90R Rotating Rectifier 41E Thyristor 0 Vdc - (Negative) + (Positive) Auto 70E (1) (2) (3) (4) (5) Firing Circuit Reff (1) 380 V (2) 380 V (3) 380 V PT = Potensial Transformer 90 R = Voltage Setter (90R) VD = Voltage Detector VED = Voltage Error Detector SMX = Signal Mixer Auto = Switch Auto Follower 70 E = Voltage Setter (70E) PCR = Pulse Control Regulator Card PGR = Pulse Generator Regulator card OEL = Over Excitation Limitter MEL = Minimum Excitation Limitter V/Hz = Over Flux Protection Thy = Module Thyristor PSN = Netral Power Supply Reff = Refferensi Voltage 41 E = Excitation Breaker
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Gambar 4.9 Tampilan AVR MX321 Data spesifikasi AVR MX321 sebagai berikut ini :
- Input (PMG) Tegangan : 170 – 220 V ac Arus : 3 A/Phase
Frekuensi : 100 – 120 Hz nominal Fasa : 3 Fasa 3 kawat
- Output Tegangan : max 120 V dc
Arus : max 3.7 A - Proteksi Tegangan lebih AVR : 300 V ac - Proteksi Eksitasi Lebih : 75 V dc
- Sinyal masukan Tegangan : 170 – 250 V ac max Frekuensi : 50 – 60 Hz
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Skematik komponen AVR MX321 dapat dilihat pada Gambar 4.10.
Gambar 4.10 Skematik AVR MX321
Dari skematik AVR MX321 pada Gambar 4.10 ada beberapa bagian penting dalam proses eksitasi yaitu :
a. Potential Divider and Rectifier
Potential Divider and Rectifier berfungsi menerima sinyal tegangan ac keluaran generator utama sedangkan Rectifier berfungsi mengubah sinyal tegangan ac menjadi sinyal tegangan dc untuk dikuatkan pada Amplifier.
b. 3 phase rectifier
3 phase rectifier berfungsi memonitor arus keluaran generator utama, yang merupakan penyearah tiga fasa yang mengubah sinyal ac menjadi sinyal dc. c. Amplifier
Amplifier berfungsi membandingkan sinyal tegangan keluaran generator utama dengan tegangan referensi dan selisihnya (error) akan dikuatkan ke error
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
detector untuk memberikan sinyal kontrol untuk Power Control Device. Ramp Generator dan Level Detector berfungsi mengontrol periode konduksi dari Power control Device untuk menjaga tegangan pada tegangannominal.
d. Power Supply
Power Supply berfungsi menyediakan daya untuk rangkaian AVR. e. Synchronising Circuit
Synchronising Circuit atau UFRO (Under Frequency Roll Off) berfungsi menjaga hubungan antara tegangan dan frekuensi tetap kontsan (Volts/Hz). Karakteristik Volts/Hz seperti pada Gambar 4.11.
Gambar 4.11 Karakteristik Volts/Hz
AVR berkoordinasi dengan sistem proteksi putaran rendah yang memberikan karakteristik Volts/Hz ketika putaran generator dibawah set point, frekuensi minimum disetting pada level 47 Hz.
f. Power Control Device
Power Control Device berfungsi mengatur atau mengubah-ubah besarnya arus eksitasi yang disuplai pada rotor eksiter setelah mendapat sinyal dari
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
g. Circuit Breaker
Circuit Breaker berfungsi memutuskan daya pada AVR dan generator eksiter jika terjadi gangguan tegangan lebih atau gangguan eksitasi lebih.
h. Over Excitation Detector
Over Excitation Detector berfungsi memonitor tegangan eksitasi yang disuplai pada eksiter. Tegangan eksitasi maksimum dibatasi atau disetting pada level 70 Volt +/-5%. Jika terjadi kenaikan tegangan eksitasi melebihi nilai settingan maka over excitation detector memberikan sinyal untuk membuka
excitation circuit breaker.
i. Over Voltage Detector
Over Voltage Detector berfungsi memonitor tegangan pada terminal keluaran generator utama dan memberikan sinyal untuk membuka Circuit Breaker
(excitaton circuit breaker) utnuk memutuskan daya pada Eksiter dan AVR pada
saat terjadi tegangan lebih pada generator utama. Alat proteksi tegangan lebih disetting pada level 437 Volt +/-5%. Terminal AVR (E1, E0) dihubungkan pada kumparan stator generator utama.
j. Thyristor Rectifier
Thyristor Rectifier merupakan penyearah thyristor konverter gelombang penuh tiga fasa, berfungsi mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah agar dapat digunakan sebagai sumber eksitasi pada generator eksiter. Dengan menggunakan penyearah thyristor, maka besarnya arus eksitasi dapat diatur dengan cara mengatur sudut penyalaan thyristor. Peralatan yang mengubah-ubah sudut penyalaan dilakukan oleh peralatan kontrol yang terdapat pada AVR yaitu melalui Power Control Device.
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Prinsip kerja dari penyearah thyristor adalah melewatkan arus sesuai dengan besarnya sudut penyalaan yang diberikan pada gerbangnya. Jika arus eksitasi generator eksiter didefenisikan sebagai Iex, maka :
ex ex ex R V I =
Dimana tegangan eksitasi sebesar :
α π Cos V V m ex 3 3 = = − m ex ex V R I Cos 3 3 1
π
α
Dimana : Iex = arus eksitasi
Vex = tegangan eksitasi
Rex = tahanan medan eksiter
Vm = puncak tegangan masukan α = sudut penyalaan thyristor
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Diagram satu garis generator sinkron dapat dilihat seperti pada Gambar 4.12 berikut :
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Rangkaian kontrol generator sinkron dapat dilihat seperti pada Gambar 4.13 berikut :
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
IV.2.3 Eksiter Utama (Penguat Utama)
Penguat utama adalah sebuah generator sinkron dimana pada statornya terdapat belitan medan tempat dialirkannya arus eksitasi, sedangkan rotor berfungsi sebagai tempat dililitkannya belitan jangkar yang akan mengeluarkan daya dari Penguat utama. Arus eksitasi untuk Penguat Utama ini diperoleh dari keluaran Generator magnet permanen yang telah disearahkan terlebih dahulu oleh penyearah thyristor yang terdapat di dalam komponen AVR. Besar kecilnya daya yang dihasilkan oleh Eksiter ini ditentukan oleh sudut penyalaan thyristor yang diatur oleh AVR sesuai dengan kebutuhan arus eksitasi. Daya keluaran dari Penguat Utama disearahkan oleh rotating rectifier dan selajutnya akan digunakan sebagai arus eksitasi bagi generator utama.
Pada generator penguat ini, arus eksitasi dialirkan pada kumparan medan yang terletak pada stator, alasan diletakkan kumparan medan pada stator adalah untuk mempermudah aliran arus penguatan ke kumparan medan di rotor generator utama. Ketika stator diberikan arus penguatan dan rotor sudah berputar maka akan timbul fluks magnet yang berubah-ubah terhadap waktu pada kumparan medan. Fluks tersebut akan diinduksikan kumparan jangkar pada rotor, maka akan timbul tegangan induksi pada kumparan jangkar tersebut. Tegangan keluaran eksiter inilah yang kemudian disearahkan dan digunakan sebagai sumber eksitasi pada generator utama. Eksiter ini memiliki spesifikasi sebagai berikut :
Tipe : Rotating Armature
Jumlah kutub : 4
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
Frekuensi : 50 Hz
Tegangan nominal : 220 Vac
Tahanan belitan rotor : 0.048 Ohm Tahanan belitan stator : 17.5 Ohm
IV.2.4 Rotating Diodes
Keluaran dari Eksiter disearahkan sebelum di suplai sebagai sumber eksitasi pada generator utama. Rotating Diodes merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh tiga fasa yang menyearahkan keluaran tegangan bolak-balik dari Eksiter. Berdasarkan fungsi kerjanya, ada dua rangkaian penyearah yang digunakan pada
brushless exciter yaitu : penyearah statis dan penyearah berputar.
Penyearah statis merupakan penyearah yang digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik yang dihasilkan oleh PMG untuk menyuplai Eksiter. Penyearah statis merupakan jenis thyristor rectifier, dimana tegangan dapat diatur dengan mengatur arus penyalaan sehingga besaran tegangan yang dihasilkan oleh thyristor
rectifier dapat diatur sesuai dengan arus penyalaan yang diberikan. Thyristor rectifier
ini merupakan bagian dari AVR MX321.
Sedangkan penyearah berputar merupakan dioda yang digunakan untuk menyearahkan arus bolak-balik dari Eksiter untuk menyuplai arus medan pada kumparan medan pada generator utama. Tegangan yang dihasilkan oleh kumparan medan (pada rotor) Eksiter disearahkan menggunakan dioda ini. Karena kumparan medan generator utama terletak pada rotor maka dioda ikut berputar dengan poros generator sehingga disebut rotating rectifier. Pada dioda ini tidak ada pengontrolan
Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.
tegangan sehingga pengontrolan tegangan yang dihasilkan oleh rotating rectifier diatur oleh thyristor rectifier yang terdapat pada AVR MX321. Rotating Diodes ini terletak pada poros utama dan ikut berputar. Bagian utama dari rotating diodes ini adalah dioda silikon yang dipasang dengan kuat pada permukaan sebuah roda atau wheel berbentuk drum yang terbuat dari campuran baja berkekuatan tinggi. Rectifier
wheel dipasang dengan kuat pada poros dan dapat menahan besarnya gaya rotasi dan
torsi hubung singkat. Pada rangkaian penyearah gelombang penuh tiga fasa ini ada enam buah dioda yang digunakan dan dilengkapi dengan Surge Suppressors, seperti pada Gambar 4.14 berikut ini :
Exciter Stator Surge suppressor Main Rotor n Van Vbn Vcn
Gambar 4.14 Rangkaian Penyearah Dioda Berputar dengan Surge Supressor Rotating Diodes yang digunakan pada pembangkit ini adalah jenis RSK6001 tipe silicon rectifier.
