STUDI PENGGUNAAN GPC ( Generator Paralelling Control) PADA
PLTD DI SUN PLAZA
OLEH :
NAMA : JUANDA . T NIM : 030402024
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
STUDI PENGGUNAAN GPC ( Generator Paralelling Control) PADA PLTD DI SUN PLAZA
TUGAS AKHIR
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Sarjana Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara
Oleh :
NIM : 030402024 JUANDA . T
Disetujui oleh :
DOSEN PEMBIMBING
NIP : 130 365 321
Ir. SUMANTRI ZULKARNAEN
Disetujui oleh :
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
NIP : 131 459 554 Ir. NASRUL ABDI, MT
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
ABSTRAK
Sistem pembangkitan listrik yang sudah umum digunakan adalah mesin generator tegangan AC, di mana penggerak utamanya bisa berjenis mesin turbin, mesin diesel atau mesin baling-baling. Dalam pengoperasian pembangkit listrik dengan generator, karena faktor keandalan dan fluktuasi jumlah beban, maka disediakan dua atau lebih generator yang dioperasikan dengan tugas terus-menerus, cadangan dan bergiliran untuk generator-generator tersebut. Penyediaan generator tunggal untuk pengoperasian terus menerus adalah suatu hal yang riskan, kecuali bila bergilir dengan sumber PLN atau peralatan UPS. Untuk memenuhi peningkatan beban listrik maka generator-generator tersebut dioperasikan secara paralel antar generator atau paralel generator dengan sumber pasokan lain yang lebih besar misalnya dari PLN. Sehingga diperlukan pula alat pembagi daya listrik untuk mencegah adanya sumber tenaga listrik terutama generator yang bekerja paralel mengalami beban lebih mendahului yang lainnya.
Apabila suatu generator yang bekerja secara paralel yang mengalami gangguan, maka generator tersebut dihentikan, dengan demikian daya listrik total yang dibangkitkan dari generator tersebut menjadi berkurang. Dalam pengoperasian generator yang bekerja paralel, diperlukan suatu alat pengontrolan yang baik sehingga kontiunitas pelayanan dapat tercapai.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Maka dengan segala kerendahan hati, penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Orang tuaku Ibunda L. Sinambela dan keluarga yang telah memberikan dukungan moril, do’a dan semangat.
2. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan, pengarahan, motivasi dan dukungannya.
3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro USU.
4. Bapak Ir. Bonggas L.Tobing selaku dosen wali penulis, atas bimbingan dan arahannya selama dalam menyelesaikan perkuliahan.
5. Seluruh dosen pada jurusan Teknik Elektro USU, terutama dosen pada Sub Jurusan Teknik Energi Listrik.
6. Bapak Teguh Hardiansyah. ST selaku staf Supervisor di PT. Manunggal Wiratama (Sun Plaza) yang telah membantu kelancaran proses pengerjaan tugas akhir ini.
8. Teman – teman stambuk 2003, yang selama ini telah menjadi teman diskusi belajar dan bekerjasama dalam kegiatan perkuliahan.
9. Teman – teman saya : Lamganda, Wiswa, Hedbien, Shendy, Enno, Benni, Roni, Olo, Boby, Deni Ariyuda, Defrans, Faisal, B’UI, B’cimed dan semua rekan – rekan kuliah penulis yang tidak dapat disebutkan satu – persatu.
10.Serta berbagai pihak yang tidak dapat disebutkan satu – persatu.
Berbagai usaha telah penulis lakukan demi selesainya Tugas Akhir ini dengan baik, namun penulis menyadari Tugas Akhir ini belumlah sempurna karena banyak terdapat kekurangan baik dari segi isi maupun susunannya.
Saran dan kritik dari pembaca Sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dan pengembangan kajian dalam bidang ini.
Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat.
Medan, Desember 2008 Penulis
iv
DAFTAR ISI
ABSTRAK ………....….i
KATA PENGANTAR ………...…....ii
DAFTAR ISI ...iv
DAFTAR GAMBAR ...vii
DAFTAR TABEL ...ix
BAB I. PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Masalah ...1
I.2. Batasan Masalah ...2
I.3. Tujuan Penulisan ...3
I.4. Metode Penulisan ...3
I.5. Sistematika Penulisan ...3
BAB II. PINSIP KERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL (PLTD) II.1. Umum ...5
II. 2. Mesin Diesel ...7
II. 2.1. Pengertian Mesin Diesel ...7
II. 2. 2. Cara Kerja Mesin Diesel ...8
II. 3. Generator Sinkron ...12
v
II. 3. 3. Prinsip Kerja Generator Sinkron ...16
II. 3. 4. Pemilihan Putaran ………...18
II. 3. 5. Sistem Exitasi ………...19
II. 3. 5. a. Sistem penguatan sendiri ………...19
II. 3. 5. b. Sistem penguatan terpisah ………...20
II. 3. 6. Alternator tanpa beban ...21
II. 3. 7. Alternator berbeban ...22
II. 3. 8. Rangkaian ekivalen generator sinkron...21
II. 3. 9. Menentukan parameter generator sinkron...24
II. 3. 10. Regulasi Tegangan Generator ………...26
II. 3. 11. Sinkronisasi generator ...26
BAB III. GENERATOR PARALELLING CONTROL (GPC) III.1. Prinsip Kerja ………...35
III.2. Instalasi Teknis ………...37
III.3. Kontrol Fungsi ………...39
III.4. Kondisi Perancangan Panel Sinkronisasi ………...40
BAB IV. PERANAN GENERATOR PARALELLING CONTROL (GPC) PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL (PLTD) IV.1. Operasi Paralel Lima Generator ………...50
IV.2. Operasi Paralel PLTD Dengan Jaringan PLN ………... 57
vi
IV. 2. 2. Pengoperasian Secara Otomatis ...………...64
IV.3. Prinsip Pembagian daya Pada Generator ………...70
IV. 3. 1. Governor ………...76
IV. 3. 2. Speed Drop .………...77
IV. 3. 3. Permanent Magnet Generator (PMG) – Control AVR ...78
IV. 3. 4. Load Sharing ……….………81
IV. 4. Diagram blok pengontrolan GPC ………….…………...88
V. KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan ...92
V. 2 Saran ...92
vii
DAFTAR GAMBAR
2.1. Cara kerja mesin diesel ………...9
2.2.a. Diagram Tekanan-Volume (P-V) untuk keadaan teoritis ...12
2.2.b. Siklus Motor Diesel ...12
2.3. Konstruksi generator sinkron ...14
2.4. Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron ………..14
2.5.a. rotor Non-salient (rotor silinder) ………...…...15
2.5.b. penampang rotor pada generator sinkron ...15
2.6. Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan..17
2.7. Diagram generator dengan penguatan tanpa sikat ...20
2.8. Diagram generator sistem penguatan terpisah ...20
2.9. Karakteristik tanpa beban generator sinkron ...21
2.10. Rangkaian ekivalen alternator berbeban ………22
2.11. Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ………23
2.12. Karakteristik tanpa beban ………..24
2.13. Karakteristik hubung singkat alternator ……….………25
3.1. Piranti GPC (generator paralelling control) ...35
4.1. Proses paralel antar generator ...50
4.2. Flowchart pengontrolan paralel antar generator ...56
4.3. Proses paralel generator dengan jaringan PLN ...58
viii
4.5. Flowchart pengoperasian manual untuk menjalankan paralel ...61
4.6. Flowchart pengoperasian manual untuk menghentikan paralel …...63
4.7. Diagram vektor tegangan dan arus ...71
4.8. Pembagian daya antar lima generator ...72
4.9. Penguatan dengan permanent magnet generator (PMG) – Control AVR...78
4.10. Suplai arus penguatan pada generator ...80
ix
DAFTAR TABEL
Tabel.1. Data pemakaian generator tgl 9 Desember 2008, pukul 19:30WIB ...59 Tabel.2. Data beban harian tgl 9 Desember 2008, pukul 19:30WIB ………….73 Tabel.1. Data pemakaian generator tgl 9 Desember 2008, pukul 19:30WIB ...75 Tabel.1. Data pemakaian generator tgl 11 Desember 2008 dari pukul 19:30 –
ABSTRAK
Sistem pembangkitan listrik yang sudah umum digunakan adalah mesin generator tegangan AC, di mana penggerak utamanya bisa berjenis mesin turbin, mesin diesel atau mesin baling-baling. Dalam pengoperasian pembangkit listrik dengan generator, karena faktor keandalan dan fluktuasi jumlah beban, maka disediakan dua atau lebih generator yang dioperasikan dengan tugas terus-menerus, cadangan dan bergiliran untuk generator-generator tersebut. Penyediaan generator tunggal untuk pengoperasian terus menerus adalah suatu hal yang riskan, kecuali bila bergilir dengan sumber PLN atau peralatan UPS. Untuk memenuhi peningkatan beban listrik maka generator-generator tersebut dioperasikan secara paralel antar generator atau paralel generator dengan sumber pasokan lain yang lebih besar misalnya dari PLN. Sehingga diperlukan pula alat pembagi daya listrik untuk mencegah adanya sumber tenaga listrik terutama generator yang bekerja paralel mengalami beban lebih mendahului yang lainnya.
Apabila suatu generator yang bekerja secara paralel yang mengalami gangguan, maka generator tersebut dihentikan, dengan demikian daya listrik total yang dibangkitkan dari generator tersebut menjadi berkurang. Dalam pengoperasian generator yang bekerja paralel, diperlukan suatu alat pengontrolan yang baik sehingga kontiunitas pelayanan dapat tercapai.
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang Masalah
Perkembangan teknologi saat ini memungkinkan semua bidang kehidupan
manusia dapat semakin ringan dikerjakan dengan bantuan suatu peralatan.
Demikian halnya dalam bidang kelistrikan. Dengan menggunakan suatu alat
khusus, sistem kerja sebuah pembangkit dapat dengan mudah dikontrol oleh
seorang operator. Sistem kerja yang dimaksud mencakup sistem pengaturan,
sistem proteksi dan pembagian beban. Dalam sistem kerja suatu pembangkit
umumnya, sistem pengaturan, sistem proteksi dan pembagian beban bekerja
secara terpisah. Sehingga dibutuhkan banyak tenaga manusia dalam
pengoperasiannya.
GPC (Generator Paralelling Control) merupakan suatu alat digital yang
aplikasi sistem kerjanya menggunakan PLC (programmable logic control) dalam
menjalankan fungsinya sebagai alat konrol. GPC menggunakan PLC sebagai
sarana untuk menjalankan dan mengatur semua komponen elektromekanik yang
berperan dalam sistem PLTD ini, baik itu switch, rele-rele, circuit breaker dan alat
penunjang lainnya.
Dalam sistem PLTD ini, salah satu peran utama GPC adalah menjalankan
proses sinkronisasi ; baik itu antara generator maupun antara generator dan
sumber PLN. Pada proses sinkronisasi GPC dapat bekerja secara otomatis
maupun secara manual. Pengoperasian secara otomatis yang dimaksud disini
adalah pengoperasian yang dikendalikan oleh PLC dengan settingan yang telah
apabila adanya turut campur tangan seorang operator dalam pengontrolan
tersebut. Selain itu peran GPC lainnya dalam PLTD ini adalah mengatur dan
menjalankan pembagian beban generator. Alat pembagi beban generator
merupakan peralatan otomatis yang menyeragamkan operasi governor dalam
menaikkan atau menurunkan power mesin atau daya generator sesuai perubahan
bebannya, dan sangat diperlukan bila memiliki lebih dari dua generator dengan
karakteristik yang berbeda beroperasi secara paralel. Dengan alat pembagi beban
generator, maka setiap generator mempunyai faktor penggunaan (beban
maksimum dibagi kapasitas generator) yang sama.
I.2. Batasan Masalah
Dalam tugas akhir yang aplikasinya pada PT. Manunggal Wiratama (Sun
Plaza) Medan ini, adanya pembatasan pembahasan yang dibuat yaitu :
1. Tidak membahas tentang PLC (Programmable Logic Control).
2. Tidak membahas program yang digunakan pada GPC (Generator
Paralelling Control).
3. Tidak membahas mengenai rele proteksi dan circuit breaker yang
digunakan pada generator.
4. Tidak membahas gangguan-gangguan yang terjadi pada generator.
I.3. Tujuan Penulisan
Adapun yang menjadi tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :
2. Untuk mengetahui proses sinkronisasi antar generator dan antar generator
dengan sumber PLN.
3. Membandingkan pengoperasian secara manual dan otomatis.
Dan diharapkan tugas akhir ini bermanfaat sebagai bahan pembelajaran
dalam memahami prinsip kerja PLTD dan cara pengoperasiannya menggunakan
alat digital
I.4. Metode Penulisan
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian buku-buku teks
pendukung.
2. Studi lapangan, yaitu mengambil data beban dan set point ( nilai
pengaturan) yang diberikan pada GPC.
3. Studi Bimbingan, diskusi – diskusi dan tanya jawab dengan dosen
pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro
USU mengenai kendala-kendala yang timbul selama penyusunan Tugas
Akhir ini.
I.5. Sistematika Penulisan
Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis
menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar
belakang masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat
BAB II : PRINSIP KERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL
(PLTD)
Bab ini membahas prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga
Diesel (PLTD) secara umum.
BAB III : GENERATOR PARALELLING CONTROL (GPC)
Bab ini membahas prinsip kerja, instalasi dan fungsi kontrol
Generator Paralelling Control (GPC)
BAB IV : PERANAN GENERATOR PARALELLING CONTROL (GPC)
PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL (PLTD)
Bab ini menjelaskan peranan penting sebuah Generator
Paralelling Control (GPC) pada PLTD antara lain dalam proses
sinkronisasi dan pembagian beban yang berhubungan langsung
governor dalam mengatur daya dan kecepatan generator.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari proses studi
BAB II
PRINSIP KERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL
(PLTD)
II.1. Umum
Pada dasarnya pembangkitan tenaga listrik AC biasanya menggunakan
mesin sinkron yang bekerja sebagai generator. Beberapa kelebihan penggunaan
mesin sinkron yang bekerja sebagai generator tersebut antara lainnya :
• lnvestasi modal relatif kecil
• Mempunyai waktu pembebanan yang relatif singkat
• Desain dan instalasi relatif sederhana
• Auxiliary equipment relatif sederhana.
Selain kelebihan tersebut di atas, juga terdapat beberapa kelemahan dan
kekurangan dari suatu pembangkit tenaga diesel, antara lain:
1. Mesin diesel sebagai penggerak mula mempunyai daya yang terbatas.
Hal ini disebabkan terbatasnya ukuran mesin diesel karena
kemampuan dari sarana pengangkutannya terbatas. Jika membutuhkan
daya yang besar diperlukan beberapa unit generator dengan penggerak
mula diesel.
2. Bahan bakar pembangkit listrik tenaga diesel yaitu solar yang lebih
Pada mesin diesel, kecepatan putarannya dapat dikelompokkan dalam tiga
kategori yaitu:
• Putaran rendah untuk rpm < 500
• Putaran sedang untuk 500 < rpm < 1000
• Putaran tinggi untuk rpm > 1000.
Kegunaan dari suatu Pembangkit Listrik Tenaga Diesel adalah :
1. Sebagai unit cadangan ( Stand by Plant ) yang dijalankan pada saat
unit pembangkit utama yang ada tidak dapat mencukupi kebutuhan
daya listrik.
2. Sebagai unit pembangkit yang menyupali listrik selama 24 jam atau
pemikul beban tetap. Sifat pengoperasian harus pada beban dasar yang
berkapasitas tertinggi dan tidak dipengaruhi oleh frekuensi beban tetap.
Hal ini memungkinkan juga bila pasokan dapat mengalami gangguan.
3. Sebagai unit beban puncak atau Peak Load. Bila PLTD dioperasikan
pada beban puncak, biasanya dalam waktu yang tidak lama, karena
dapat berfungsi untuk menaikkan tegangan yang turun pada saat beban
puncak.
4. Sebagai unit cadangan ( emergency) yang djalankan saat keadaan
II. 2. Mesin Diesel
II. 2.1. Pengertian Mesin Diesel
Mesin diesel termasuk mesin dengan pembakaran dalam atau disebut
dengan motor bakar ditinjau dari cara memperoleh energi termalnya. Untuk
membangkitkan listrik sebuah generator menggunakan generator dengan sistem
penggerak tenaga diesel atau yang biasa dikenal dengan sebutan genset (
Generator Set ).
Keuntungan pemakaian diesel sebagai Prime Over :
• Desain dan instalasi sederhana.
• Auxiliary equipment sederhana.
• Waktu pembebanan relative singkat.
Kerugian pemakaian diesel sebagai Prime over:
• Mesin sangat berat sehingga harus dapat menahan getaran serta kompresi
yang tinggi.
• Starting awal berat, karena kompresinya tinggi yaitu sekitar 200 bar.
• Semakin besar daya maka mesin diesel tersebut dimensinya makin besar
II. 2.2. Cara kerja mesin Diesel
Prime Over merupakan peralatan yang mempunyai fungsi menghasilkan
energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Pada mesin
diesel/engine terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan udara
murni yang dimampatkan di dalam silinder pada tekanan yang tinggi ( ± 30 arm ),
sehingga temperature di dalam silinder naik. Dan pada saat itu bahan bakar
disemprotkan dalam silinder yang bertemperatur dan bertekanan tinggi melebihi
titik nyala bahan bakar sehingga menyala secara otomatis.
Pada mesin diesel penambahan panas atau energi senantiasa dilakukan
pada tekanan konstan. Pada mesin diesel, piston melakukan 4 langkah pendek
menuju kepala silinder pada setiap langkah daya.
1. Langkah keatas yang pertama merupakan langkah pemasukan dan
pengisapan, disini udara dan bahan bakar masuk sedangkan engkol
berputar ke bawah.
2. Langkah kedua merupakan kompresi, poros engkol terus berputar
menyebabkan torak naik dan menekan bahan bakar sehinggaterjadi
pembakaran. Kedua proses ini (1dan 2 ) termasuk proses
pembakaran.
3. Langkah ketiga merupakan lankah ekspansi dan kerja, disini kedua
katup yaitu katup isap dan buang tertutup sedangkan poros engkol
terus berputar dan kembali menarik torak ke bawah.
Gas dapat keluar karena pada proses keempat ini torakkembali
bergerak naik naik keatas dan menyebabkan gas dapat keluar. Kedua
proses terakhir ini (3 dan 4) termasuk proses pembuangan.
5. Setelah keempat proses tersebut, maka proses berikutnya akan
mengulang kembali proses pertama, dimana udara dan bahan bakar
masuk kembali.
Gambar.2.1. Cara Kerja Mesin Diesel
Ada 3 macam sistem starting yaitu :
Sistem start manual
Sistem start ini dipakai untuk mesin diesel dengan daya yang relative kecil
yaitu < 30 PK. Cara untuk menghidupkan mesin diesel pada site mini adalah
dengan menggunakan penggerak engkol start pada poros engkol atau poros
hubung yang akan digerakkan oleh tenaga manusia. Jadi sistem start ini sangat
bergantung pada faktor manusia sebagai operatornya.
Sistem strat elektrik
Sistem ini dipakai oleh mesin diesel yang memiliki daya sedang yaitu <
accu 12 atau 24 volt untuk menstart diesel. Saat start, motor DC mendapat suplai
listrik baterai atau accu dan menghasilkan torsi yang dipakai untuk menggerakkan
diesel sampai mencapai putaran tertentu. Baterai atau accu yang dipakai harus
dapat dipakai untuk menstart sebanyak 6 kali tanpa diisi kembali, karena arus start
yang dibutuhkan motor DC cukup besar maka dipakai dynamo yang berfungsi
sebagai generator DC. Pengisian ulang baterai atau accu digunakan alat bantu
berupa battery charger dan pengaman tegangan. Pada saat diesel tidak bekerja
maka battery charger mendapat suplai listrik dari PLN, sedangkan pada saat diesel
bekerja maka suplai dari batterai charger didapat dari generator. Fungsi dari
pengaman tegangan adalah untuk memonitor tegangan baterai atau accu. Sehingga
apabila tegangan dari baterai atau accu sudah mencapai 12/24 volt, yang
merupakan tegangan standarnya, maka hubungan antara battery charger dengan
baterai atau accu akan diputus oleh pengamanan tegangan.
Sistem start kompresi
Sistem start ini dipakai oleh diesel yang memiliki daya besar yaitu > 500
PK. Sistem ini memakai motor dengan udara bertekanan tinggi untuk start dari
mesin diesel. Cara kerjanya yaitu dengan menyimpan udara ke dalam suatu botol
udara. Kemudian udara tesebut dikompresi sehingga menjadi udara panas dan
bahan bakar solar dimasukkan ke dalam Fuel Injection Pump serta disemprotkan
lewat nozzle dengan tekanan tinggi. Akiatnya akan terjadi pengkabutan dan
pembakaran di ruang bakar.pada saat tekanan di dalam tebung turun sampai batas
minimum yang ditentukan, maka kompresor akan secara otomatis menaikkan
Proses yang terjadi dalam mesin diesel ini adalah sebagai berikut :
1-2 Kompresi isentronik
2-3 Penambahan panas pada volume konstan
3-4 Panambahan panas pada tekanan konstan
4-5 Ekspansi isentropis
5-1 Penambahan panas pada volume konstan.
Mesin ini sering juga dinamakan motor diesel, sesuai dengan nama dari
pembuat yaitu seorang Jerman bernama Diesel. Pada mesin ini penambahan panas
energi senantiasa dilakukan pada tekanan yang konstan. Efisiensi termal dari
motor diesel adalah sebagai berikut :
Q2-3 – Q3-4 – Q5-1 Q2-3 + Q3-4
ή = = 1 - 1
(V5 / V2) k-1
Dimana :
Q2-3 = Energi yang ditambahkan pada keadaan 2-3
Q3-4 = Energi yang ditambahkan pada keadaan 3-4
Q5-1 = Energi yang dibuang pada keadaan 5-1
V5 = Volume pada keadaan 5
V2 = Volume pada keadaan 2
Seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut :
P T
V S V
Ekspansi Awal Injeksi
Kompresi
Masuk & Keluar
1 5
2
3 4
1 2
3 4
5
2.3
4
5.1
( a ) ( b ) ( c )
Gambar.2.2. (a) memperlihatkan diagram Tekanan-Volume ( P-V ) untuk keadaan
teoritis, sedangkan gambar ( b ) memperlihatkan untuk suatu siklus yang
sebenarnya bagi sebuah motor diesel.
II.3. Generator Sinkron
II.3.1. Pengertian Generator Sinkron
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin
sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang
digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron
dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa
tergantung dari kebutuhan. Untuk memutar rotor generator digunakan prime
II.3.2. Kontruksi Generator Sinkron
Konstruksi umum Generator AC adalah sebagai berikut :
1. Rangka Stator
Merupakan rumah dari bagian – bagian generator lain yang terbuat dari
besi tuang.
2. Stator
Stator memiliki alur – alur sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan
stator berfungsi sebagai sebagai tempat GGL induksi.
3. Rotor
Rotor adalah bagian yang berputar, pada bagian ini terdapat kutub–kutub
yang memiliki inti dan kumparan medan yang lilitannya dialiri arus searah
yang menjadi arus penguatan.
4. Cincin Geser
Terbuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros
dengan memakai isolasi. Cincin geser atau yang biasa disebut slip ring ini
berputar bersama – sama dengan poros dan rotor.
5. Generator Penguat
Generator penguat merupakan generator searah yang dipakai sebagai
sumber arus pada generator utama.
Pada umumnya generator AC ini dibuat sedemikan rupa, sehingga lilitan
tempat terjadinya GGL induksi tidak bergerak, sedangkan kutub-kutub akan
Gambar.2.3. Konstruksi generator sinkron
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk
menghasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover
menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini
menginduksi tegangan pada kumparan stator generator. Rotor pada generator
sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan
magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor
silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada
gambar di bawah ini :
Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor
sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan
permukaan rotor.
Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat
kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau
lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime
mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500
rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan
rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah
maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator
sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini :
(a) (b)
Gambar.2.5. Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder) (b) penampang rotor pada generator sinkron
Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:
1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana
2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada
batang rotor generator sinkron.
II.3.3. Prinsip kerja generator sinkron
Generator serempak (sinkron) akan menghasilkan tenaga listrik
berdasarkan hukum Faraday. Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan
konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal
pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang
dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet
diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator)
yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor dan disalurkan
melalui slip ring dan karbon sikat. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan pada slip
ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan
daya tinggi. Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan
kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan
oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan
yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara
terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC
tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator
yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°.
Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan tegangan yang
Gambar.2.6. Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan.
Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan
mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor
disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal.
Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC
yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk
menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor
menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak
II.3.4. Pemilihan putaran
Putaran adalah salah satu faktor yang sangat penting untuk mempengaruhi
besar tegangan (voltage) dan frekuensi yang timbul pada arus bolak-balik
(alternating current). 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 putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada
mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:
120 .p n f =
dimana:
f = frekuensi listrik (Hz)
n = 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
tetapdengan 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,
II.3.5. Sistem Eksitasi
Yang dimaksud dengan sistem eksitasi atau sistem penguatan adalah suatu
perangkat yang memberikan arus penguat (If) ke kumparan magnet generator arus
bolak-balik (alternating current) dijalankan dengan cara membangkitkan medan
magnetnya dengan arus searah. Sedangkan sistem penguatan dapat digolongkan
menurut cara penyediaan tenaganya. Sistem penguatan ini dibagi atas :
1. Sistem penguatan sendiri
2. Sistem penguatan terpisah
II.3.5.a. 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 medan (If) pada stator. Arus penguatan
didapat dari remanensi (induksi magnet sisa) pada stator generator utama yang
diberikan pada stator generator penguat. Arus yang disuplai tersebut diatur
terlebih dahulu oleh AVR (automatic voltage regulator) yang merupakan pengatur
tegangan otomatis. Melalui AVR inilah dilakukan pengaturan tegangan. Arus
yang dihasilkan pada rotor generator penguat disearahkan menjadi dengan
menggunakan penyearah (rotating diode) yang turut berputar dengan rotor kedua
generator. Sistem penguatan sendiri dipasang pada ujung poros generator
Gambar.2.7. Diagram generator dengan penguatan tanpa sikat
II.3.5.b. Sistem penguatan terpisah
Ada generator yang mempunyai kapasitas daya yang besar, kutub-kutublah
yang berputar dan belitan arus putar (arus jangkar) yang dipasang pada stator
(bagian yang tidak bergerak).
Dengan demikian maka daya penguatan yang berupa arus searah melalui
sikat dan cincin geser, seperti terlihat pada gambar :
Gambar.2.8. Diagram generator sistem penguatan terpisah
Belitan jangkar (R.S.T) terletak pada stator dan belitan medan pada rotor dan
mendapat arus searah dari sistem penguatan secara terpisah. Walaupun secara
relatif, namun daya penguatan tidak besar, sehingga cincin geser senantiasa
[image:32.595.162.463.455.553.2]II.3.6. Alternator tanpa beban
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus
medan (If), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator.
Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
Ea = c.n.φ
dimana:
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
φ = fluks yang dihasilkan oleh IF
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator,
karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh
arus medan (If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh
harga Ea yang berubah-ubah juga seperti yang terlihat pada kurva sebagai
[image:33.595.211.411.561.728.2]berikut:
II.3.7. Alternator Berbeban
Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan
terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan
sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet
(Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai
reaktansi sinkron (Xs) . Persamaan tegangan pada generator adalah :
Ea = V + I.Ra + j I.Xs
Xs = Xm + Xa
dimana:
Ea = tegangan induksi pada jangkar
V = tegangan terminal output
Ra = resistansi jangkar
Xs = reaktansi sinkron
[image:34.595.137.432.280.651.2]I = arus jangkar
II.3.8. Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron
Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan
ini biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator.
Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada
arus jangkar yang mengalir pada mesin atau generator dalam keadaan tidak
berbeban. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi
dengan tegangan terminal adalah:
1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada
stator, disebut reaksi jangkar.
2. Induktansi sendiri kumparan jangkar.
3. Resistansi kumparan jangkar.
4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.
Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di
[image:35.595.220.407.528.657.2]bawah ini.
II.3.9. Menentukan Parameter Generator Sinkron
Harga Xs diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa
beban dan percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator
diputar pada kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke
beban. Arus eksitasi medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan
dinaikan bertahap dan tegangan terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari
percobaan tanpa beban arus jangkar adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan
Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If).
Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah harga liniernya (unsaturated).
Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup beralasan mengingat
kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya dikompensasi oleh adanya
[image:36.595.198.426.442.630.2]reaksi jangkar.
Gambar.2.12. Karakteristik tanpa beban
Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini
singkat melalui ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur
dengan mengubah arus eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan
menghasilkan hubungan antara arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF),
dan ini merupakan garis lurus. Gambaran karakteristik hubung singkat alternator
[image:37.595.245.416.222.310.2]diberikan di bawah ini :
Gambar2.13. Karakteristik hubung singkat alternator
Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal
adalah nol. Impedansi internal mesin adalah:
Ia Ea Xs
Ra
Zs= 2 + 2 =
Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:
Ia V Ia Ea
Xs= = OC
Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron dapat
diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada
kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y),
kemudian arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada
kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut :
DC DC I V Ra
. 2
Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol
pada saat pengukuran.
II.3.10. Regulasi tegangan generator
Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara
keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan
gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator.
Regulasi tegangan generator dapat kita hitung dengan menggunakan
rumus dibawah ini :
% 100
x V
V V VR
FL FL NL − =
II.3.11. Sinkronisasi generator sinkron
Sinkronisasi generator adalah memparallelkan kerja dua buah generator
atau lebih untuk mendapatkan daya sebesar jumlah generator tersebut dengan
1. Mempunyai tegangan kerja yang sama
2. Mempunyai urutan fasa yang sama
3. Mempunyai frekuensi kerja yang sama
4. Mempunyai sudut fasa yang sama
Dalam kerja parallel generator tidak cukup hanya berdasar pada syarat syarat
diatas ada hal lain yang perlu diketahui sebagai penjabaran syarat syarat diatas.
Adapun penjabarannya sebagai berikut :
1. Mempunyai tegangan kerja yang sama
Dengan adanya tegangan kerja yang sama diharapkan pada saat diparallel
dengan beban kosong power faktornya 1. Dengan faktor daya 1 berarti tegangan
antara 2 generator persis sama. Jika 2 sumber tegangan itu berasal dari dua
sumber yang sifatnya statis misal dari battery atau transformator maka tidak akan
ada arus antara kedunya. Namun karena dua sumber merupakan sumber tegangan
yang dinamis (diesel generator), maka faktor dayanya akan terjadi deviasi naik
dan turun secara periodik bergantian dan berlawanan. Hal ini terjadi karena
adanya sedikit perbedaan sudut fasa yang sesekali bergeser karena faktor gerak
dinamis dari diesel penggerak. Itu bisa dibuktikan dengan membaca secara
bersamaan putaran dari kedua generator dalam keadaan sinkron.
Misalnya Generator leader mempunyai kecepatan putar 1500 dan generator
follower mempunyai kecepatan putar 1501, maka terdapat selisih 1 putaran /
menit. Dengan perhitungan seperti dibawah ini :
0 360
× −
= ∆
Follower Follower Leader
N N N
Maka didapat beda fasa antar generator Leader dan Follower : 0 0 24 , 0 360 1500 1500 1501 = ∆ × − = ∆ ϕ ϕ
Dan dapat dihitung selisih tegangan sebesar :
(
VLeaader VFollower)
CosV = ∆ × −
∆ ϕ
(
)
(
)
V V V Cos V Cos V 2 999 , 1 382 384 24 , 0 382 384 0 = = ∆ − × = ∆ − × ∆ = ∆ ϕ Dimana : ϕ∆ : Beda fasa
N1;N2 : Kecepatan putar generator leader; follower
V1;V2 : Tegangan terminal leader; follower
Selisih tegangan yang kecil cukup mengakibatkan timbulnya arus sirkulasi
antara 2 buah generator tersebut dan sifatnya tarik menarik namun tidak
membahayakan. Dan pada saat dibebani bersama-sama maka power faktornya
akan relatif sama sesuai dengan faktor daya beban. Memang sebaiknya dan
idealnya masing masing generator menunjukkan faktor daya yang sama. Jika
terjadi perbedaan faktor daya dengan selisih tidak terlalu besar, generator tersebut
masih dapat diparallelkan. Namun akibat dari hal tersebut salah satu generator
lebih tinggi. Yang penting diperhatikan adalah tidak melebihi arus nominal dan
daya nominal dari generator.
Sebagai contoh : Jika masing-masing generator memikul beban 100 kW, dimana
generator 1 dengan faktor daya 0,85 dan yang generator 2 mempunyai faktor daya
0,75. Maka dengan menggunakan rumus daya aktif didapat selisih arus :
ϕ
Cos I V P= 3. . .
(
1 1 2 2)
. .
3V I Cosϕ I Cosϕ
P= −
(
1 1 2 2)
.
3V I Cosϕ I Cosϕ
P
− =
Dimana :
P : Daya aktif
V : Tegangan terminal generator
I : Arus beban
I1;I2 : Arus generator 1;2
Cosφ : Faktor daya
Dengan adanya selisih arus tersebut, bisa saja dianggap bahwa generator bekerja
independent dengan arus tersebut.
Pada saat generator bekerja parallel perubahan arus eksitasi akan merubah
faktor daya, jika arus eksitasi diperkuat maka nilai faktor daya mengecil menjauhi
satu, sebaliknya jika eksitasi dikurangi maka nilai faktor daya akan membesar
mendekati 1.
Pada panel-panel kontrol modern sudah diperlengkapi dengan modul yang
disambungkan ke AVR generator. Sehingga secara otomatis masing masing
generator dengan berapapun beban kW, faktor daya akan menjadi sama dan
seimbang. Hal ini diperuntukkan pada sistem yang mana sistem tersebut parallel
sesaat atau transfer beban baik antara generator maupun dengan PLN. Pada saat
transfer beban secara soft transfer terjadi pemindahan beban, perubahan faktor
daya yang kecenderungan terjadi diatur secara otomatic oleh modul tersebut,
sehingga pada saat transfer beban tidak terjadi perubahan faktor daya yang berarti.
Pada saat ini banyak PLTD seluruh Indonesia, dimana pihak swasta menyuplai
daya generatornya untuk menambah kapasitas daya terpasang PLN. Pada kondisi
ini sedikit berbeda dengan yang diuraikan diatas yaitu masalah pembagian dan
pengaturan faktor daya. Pada generator PLTD sudah ditentukan berapa kW beban
yang akan disuplai dan berapa kWH energi yang akan dikirim. Pada saat mulai
memparallelkan tegangan tidak harus sama, karena pengaturan kenaikan beban
secara bertahap maka pengaturan penambahan eksitasi juga bertahap sampai
didapatkan faktor daya yang dikehendaki. Kita bisa mengatur sendiri faktor daya
yang akan dioperasikan. Bisa 0,8 0,85 0,9 atau 0,95 namun pada umumnya yang
lebih sering digunakan pada faktor daya 0,9. Hal ini dikarenakan kapasitas
generator PLN jauh lebih besar dibandingkan generator PLTD, sehingga
perubahan faktor daya di generator PLTD tidak begitu mempengaruhi banyak
meskipun ada. Hal tersebut diatas dapat dilihat dengan menggunakan rumus daya
2 2 3.V .I .Cosϕ PG = P Beban
3 3 3.V .I .Cosϕ PG = P Beban
4 4 3.V .I .Cosϕ PG = P Beban
5 5 3.V .I .Cosϕ PG = P Beban
Dimana :
PTotal : Beban total
PGN : Daya yang dihasilkan generator.
VP : Tegangan parallel
IBeban : Arus beban
Jika arus eksitasi pada salah satu generator dinaikkan, maka tegangan
generator yang dinaikkan eksitasi tersebut (misal V1) akan naik. Pada persamaan
diatas, apabila pada beban arus dan daya yang dilayani tetap maka akan terjadi
penurunan faktor daya, dan demikian sebaliknya.
Pada saat hendak memparallelkan secara manual generator dengan Catu
daya PLN yang sudah berbeban atau generator lain yang sudah berbeban, kita
menyamakan persis dengan tegangan line / jala jala. Maka pada saat breaker
close, faktor daya generator akan menunjuk 1 dan beban kW akan menunjuk pada
posisi 0, jika kita menambah daya output mesin perlahan lahan, maka faktor daya
akan cenderung menuju ke kapasitif (leading) dan memungkinkan terjadinya
reverse power. Untuk menghindari tersebut maka setelah sinkron penguatan
eksitasi dulu yang dinaikkan sampai cosφ mencapai nilai yang diinginkan. Seiring
adjuster. Pada saat beban naik, cosφ akan naik membesar mendekati satu. Pada
saat bersamaan eksitasi diatur mencapai nilai yang diinginkan demikian
seterusnya sampai mencapai nilai yang diinginkan.
2. Mempunyai urutan fasa yang sama
Yang dimaksud urutan fasa adalah arah putaran dari ketiga fasa. Arah
urutan ini dalam dunia industri dikenal dengan nama CW (clock wise) yang
artinya searah jarum jam dan CCW (counter clock wise) yang artinya berlawanan
dengan jarum jam. Hal ini dapat diukur dengan alat fasa sequence type jarum.
Dimana jika pada saat mengukur, jarum bergerak berputar kekanan dinamakan
CW dan jika berputar kekiri dinamakan CCW. Disamping itu dikenal juga urutan
fasa ABC dan CBA. ABC identik dengan CW sedangkan CBA identik dengan
CCW. Perlu diketahui bahwa banyak generator mencantumkan symbol R,S,T,N
ataupun L1,L2,L3,N namun tidak selalu berarti bahwa urutan CW / ABC itu
berarti RST atau L1L2L3. Jika diukur urutan STR, TRS ,L2L3L1 itu juga
termasuk CW/ABC.
Sebagai contoh : Pada kabel penghantar yang keluar dari generator di Sun Plaza,
kabel diseragamkan semua berwarna hitam dan tidak ada kode sama sekali. Kita
tidak bisa membedakan secara visual atau parameter listrik bahwa penghantar itu
fasanya R, S, atau T. Kita hanya bisa membedakan arah urutannya saja CW atau
CCW. Apapun generatornya jika mempunyai arah urutan yang sama maka dapat
dengan fasa STR pada generator 2 dan itu tidak ada masalah asal keduanya
mempunyai arah urutan yang sama.
3. Mempunyai frekuensi kerja yang sama
Didalam dunia industri dikenal 2 buah sistem frekuensi yaitu 50 Hz dan 60
Hz . Dalam operasionalnya sebuah generator bisa saja mempunyai frekuensi yang
fluktuatif (berubah ubah) karena faktor faktor tertentu. Pada jaringan distribusi
dipasang alat pembatas frekuensi yang membatasi frekuensi pada minimal 48,5
Hz dan maksimal 51,5 Hz. Namun pada generator generator pabrik over frekuensi
dibatasi sampai 55 Hz sebagai overspeed. Pada saat hendak parallel, dua buah
generator tentu tidak mempunyai frekuensi yang sama persis. Jika mempunyai
frekuensi yang sama persis maka generator tidak akan bisa parallel karena sudut
phasanya belum match, salah satu harus dikurang sedikit atau dilebihi sedikit
untuk mendapatkan sudut fasa yang tepat. Setelah dapat disinkron dan berhasil
sinkron baru kelima generator mempunyai frekuensi yang sama persis.
4. Mempunyai sudut fasa yang sama
Mempunyai sudut fasa yang sama bisa diartikan, fasa-fasa dari kelima
generator mempunyai sudut fasa yang berhimpit sama atau 00. Dalam
kenyataannya tidak memungkinkan mempunyai sudut yang berhimpit karena
generator yang berputar meskipun dilihat dari parameternya mempunyai frekuensi
yang sama namun jika dilihat menggunakan synchronoscope pasti bergerak labil
kekiri dan kekanan, dengan kecepatan sudut radian yang ada sangat sulit untuk
membutuhkan waktu tidak kurang dari 0,3 detik untuk close pada saat ada
BAB III
GENERATOR PARALELLING CONTROL (GPC)
[image:47.595.186.438.204.413.2]III.1. Prinsip kerja
Gambar.3.1. Piranti GPC (generator paralleling control)
GPC merupakan alat pengontrol yang dikemas dalam satu unit yang
dirancang khusus menggunakan PLC (programmable logic control) dalam aplikasi
kerjanya. GPC merupakan suatu unit kendali yang berdasarkan mikroprosesor.
GPC memiliki banyak fungsi penting dalam hal proteksi dan pengontrolan
generator sinkron maupun asinkron. GPC akan mengeluarkan semua kebutuhan
serta tugas untuk mengontrol dan memproteksi terhadap sebuah generator, tanpa
memperhatikan pada penggunaan generator tersebut. Hal ini berarti bahwa GPC
dapat digunakan untuk berbagai tipe aplikasi seperti :
1. Satu generator (generator tunggal)
3. Beban utama yang tetap / dasar beban
Selain untuk aplikasi diatas, GPC dirancang untuk dapat diaplikasikan dalam
kondisi sistem sebagai berikut (dapat dikombinasikan) :
1. Sistem yang berdiri sendiri
2. Paralel dengan generator yang lain
3. Paralel dengan suatu sistem
GPC dapat memparalelkan generator dan setelah memparalelkan
generator, GPC langsung mengambil alih semua fungsi penting dalam hal proteksi
dan pengontrolan generator. Hal tersebut disesuaikan dengan sistem kontrol PLC
dan proses tersebut dapat dilakukan antara GPC dan PLC dengan pengkodean
biner dan analog I/Os (input / output sistem) atau dengan komunikasi serial.
Dalam melakukan kerjanya, GPC secara otomatis dapat melakukan
pemeriksaan sendiri dan memberitahukan apabila terjadi kesalahan.
Pemberitahuan kesalahan tersebut dilakukan melalui pesan tertulis pada layar
monitor panel kontrol dan mengindikasikan kesalahan-kesalahan tersebut dengan
memberikan keluaran kepada rele apabila kesalahan tersebut perlu untuk
diperiksa. Tampilan pada layar tersebut terdapat pada bagian depan panel yang
dipasang bersamaan dengan GPC dan dihubungkan melalui kabel. Pesan tersebut
dapat ditampilkan dalam dua bahasa yaitu bahasa Inggris (English) dan Jerman
(German).
GPC dapat mengukur parameter sirkuit tiga fasa, menunjukkan semua
GPC adalah melalui tegangan 3 (tiga) fasa yang diukur pada tegangan generator,
arus generator serta bus utama.
Nilai-nilai yang merupakan hasil pengukuran yang dilakukan oleh GPC adalah :
1. Generator : - Tegangan (4 kawat ; 3 fasa + netral)
- Arus (3 fasa)
- Daya Aktif (kW)
- Daya Reaktif (kVAR)
- Faktor Daya (cos φ)
- Frekuensi (f)
- Daya yang dihasilkan (kVA)
2. Busbar : - Tegangan (3 fasa)
- Frekuensi (f)
III.2. Instalasi Teknis
Dalam prakteknya alat pembagi beban generator dipasang dengan bantuan
komponen-komponen seperti berikut : transformator arus, transformator tegangan
(sebagai pencatu daya), electric actuator, potensiometer pengatur kecepatan dan
saklar-saklar Bantu.
1. Transformator arus berfungsi sebagai transducer arus keluaran generator
generator (biasanya maksimum 5 A atau = 100% kemampuan maksimum
generator).
2. Electric actuator merupakan peralatan yang menerima sinyal dari alat
pambagi beban sehingga mampu menggerakkan motor DC di governor
sampai dengan arus keluaran generator mencapai yang diharapkan.
3. Potensiometer pegatur kecepatan adalah alat utama untuk mengatur
frekuensi dan tegangan saat generator akan diparalelkan atau dalam proses
sinkronisasi. Tegangan umumnya sudah diatur oleh AVR, sehingga naik
turunnya tegangan hanya dipengaruhi oleh kecepatan putaran mesin
penggerak. Setelah generator dioperasikan paralel atau sudah sinkron
dengan yang telah beroperasi kemudian menutup CB generator, fungsi
potensiometer pengatur kecepatan ini diambil alih oleh alat pembagi beban
generator. Untuk lebih akuratnya pengaturan kecepatan dalam proses
sinkronisasi secara manual, biasaya terdapat potensiometer pengatur halus
dan pengatur kasar.
Pada sistem kontrol otomatis pemaralelan generator dapat dilakukan oleh
SPM (modul pemaralelan generator) dengan mengatur tegangan dan
frekuensi keluaran dari generator, kemudian mencocokkan dengan
tegangan sistem yang sudah bekerja secara otomatis, setelah cocok
memberikan sinyal penutupan ke CB generator sehingga bergabung dalam
operasi paralel. Untuk mencocokkan tegangan dan frekuensi dapat dilihat
generator dimana masing-masing panel generator mempunyai saklar
sinkron disamping SPM-nya.
4. Saklar-saklar Bantu pada alat pembagi beban generator berfungsi sebagai
alat manual proses pembagian (pelepasan dan pengambilan) beban oleh
suatu generator yang beroperasi dalam sistem paralel. Setelah generator
beroperasi secara paralel, generator-generator dengan alat pembagi
bebannya selalu merespon secara aktif segala tindakan penaikan atau
penurunan beban listrik, sehingga masing-masing generator menanggung
beban dengan persentase yang sama dari kemampuan masing-masing.
Dalam pembangkit yang digunakan pada sistem ini menggunakan alat
pemaralel, pengontrol, dan memiliki multi fungsi lainnya yang disebut GPC
(Generator Paralelling Controller).
III.3. Kontrol Fungsi
Fungsi kontrol generator paralelling control (GPC) terdiri dari :
1. Dynamic Syncronisasi
- Kontrol perubahan frekuensi
- Periksa tegangan
- Kompensasi delay waktu breaker
- Periksa urutan fasa
3. Berjalannya frekuensi yang tetap pada generator yang berdiri sendiri
4. Pembagian beban antar generator dengan beban beragam serta sekaligus
mengontrol frekuensi
5. Output rele untuk speed governor
6. Output rele untuk menutup dan membuka breaker generator
7. Mengatur Ramp up dan Ramp down dari beban generator
8. Output rele untuk start / stop untuk generator berikutnya (berdasarkan
tinggi rendahnya beban)
III.4. Kondisi perancangan panel sinkronisasi Generator
1. Standar
Dalam mendesain panel sinkronisasi generator harus memperhatikan beberapa
persyaratan dalam standar yang telah dibakukan. Dalam hal ini PT. Guna Era
Manufaktura menggunakan standar berikiut ini:
- PUIL : Peraturan Umum Instalasi Listrik Indonesia.
- IEC 185 : Current Transformer
- IEC 186 : Voltage Transformer
- IEC 337 : Control Switch
- IEC 255 : Noise and radio interference immunity
- IEC 298 : AC Metal-Enclosed Switchgear and Controlgear for rated
Voltage Above 1 kV and up to and including 52 kV
2. Kabinet
- Kabinet disesuaikan dengan tipe dalam ruangan atau luar ruangan sesuai
dengan kebutuhan
- Kabinet berdiri diatas lantai “ freestanding metal enclosures”
- Kabinet teriri dari beberapa seksi yang berisi bus da pengawatan ( wiring ),
CB, rangkaian kendali, dan lain – lain.
- Kabinet dilengkapi dengan pintu berengsel dan kunci.
- Setiap kabinet dilengkapi dengan space heater untuk mencegah
kondensasi air dalam kabinet tersebut.
- Kabinet didesain dengan memiliki persyaratan untuk jalan masuk kabel
baik dari atas atau bawah.
- Kabinet harus didesain sehingga unit yang akan dating dapat ditambah
pada kedua sisinya.
3. Circuit Breaker Outgoing
CB harus tertutub secara sempurna dalam sebuah kotak ( Case )
- Penggunaan : Sebagai pemutus dan penghubung tenaga yang
dilengkapi dengan proteksi terhadap gangguan
arus lebih dan arus hubung singkat
- jumlah fasa : 4
- tegangan sistem : 380 Volt
- frekuensi pengenal : 50 Hz
- arus normal pengenal : 6000 A
- pentanahan sistem : solid
- tegangan kontrol : 220 VAC
4. Cicuit Breaker Incoming
CB harus tertutup secara sempurna dalam kotak ( case )
- Penggunaan : Sebagai pemutus dan penghubung tenaga yang
dilengkapi dengan proteksi terhadap gangguan arus lebih dan arus hubung
singkat
- jumlah fasa : 3
- tegangan sistem : 380 Volt
- frekuensi pengenal : 50 Hz
- arus normal pengenal : 3200 A
- arus hubung singkat : 100 kA
- pentanahan sistem : solid
- tegangan kontrol : 220 VAC
5. Synchro-Check ( Paralleling )
- penggunaan : merubah kondisi tingkat tegangan, sudut fasa,
urutan fasa dan frekuensi untuk mencapai
sinkronisasi.
- merk : DEIF
- model : CSQ – 2
- frekuensi : 45 s/d 65 Hz.
- Konsumsi daya : 2VA untuk bus dan 4VA untuk generator
- setpoint sinkronisasi : 10% s/d 30%
- Kontak relai : 1NO dan 1NC
6. Generator Differential Relay
Generator differensial relay bekerja atas dasar perbandingan arus antara sisi bus
dan generator
- penggunaan : mencegah terjadinya gangguan terhadap circuit breaker
dan
mencegah gangguan generator terhadap gulungan stator,
pentanahan, keluaran fasa.
- merk : DEIF
- model : RMC – 131- D
- tegangan kontak : 250 V – 8A – 2000VA ( AC ) dan 24 V – 8A- 200W (DC)
- frekuensi : 40, 45, 65, 70 Hz
- arus sekunder : 5 A atau 1 A
- konsumsi daya : 4 VA dimana Is = 5A, 0,1 VA dimana Is = 1 A
- waktu kerja kontak : < 50 ms
7. Auto Synchronizer
- Penggunaan : menyediakan proses sinkonisasi secara otomatis
dengan singkat dengan cara mengontrol frekuensi
melalui servo motor elektrik pada speed governor
atau motorized potensiometer.
- Merk : DEIF
- Model : GPC
- Tegangan : maks 660 VAC
- Frekuensi : 35 – 70 Hz
- Konsumsi daya : 4 VA
- Waktu operasi : 20 – 200 ms
- Perbedaan frekuensi : 0.1 – 1.0 Hz
- Beda tegangan : 10 %
8. Load Shader ( Pembagi Beban)
- Penggunaan : membagi beban dan mengatur frekuensi sistem
secara
otomatis untuk parallel generator
- Prinsip kerja : beban pada setiap generator akan dibandingkan
dengan
beban dari generator lainnya dan akan dikoreksi
sampai keseimbangan tercapai. Pembangian beban
diperlukan setelah proses sinkronisasi untuk
mengembalikan keseimbangan beban dan
- model : GPC
- tegangan : maks 660 VAC
- frekuensi : 35 – 75 Hz
- konsumsi daya : 4VA
- proportional band : +/- 50 s/d 250 % dari beban, +/- 5 s/d 25% dari
frekuensi
- dead zone : +/- 2 s/d 10% dari beban , +/- 0,2 s/d 1.0% dari
frekuensi
- temperature kerja : -20 s/d 70oC
9. Dual Current Relay ( Pembanding Arus ) / Load monitor
- penggunaan : sebagai perbandingan antara kedua arus rele,
dimana arus rele yang pertama berfungsi untuk
menjalankan generator dengan arus yang dikehendaki.
Sedangkan arus rele yang kedua berfungsi untuk
menghentikan generator dengan arus minimum tertentu.
Sebagai contoh : suatu generator mempunyai tegangan
380 VAC dan arus tertulis 795 A. CT yang tepasang
adalah 1000/5 Amp. Arus yang dikendaki pada waktu
starting adalah 90% dan waktu stop 40 %.
Solusi :
Penyetelan Arus rele – 1 ( starting )
=
1000 715
= 0.715
Penyetelan Arus rele - 2 ( stoping )
= 40 % x 795 = 318 A
=
1000 318
= 0.318 A
- merek : DEIF
- model : GPC
- tegangan kontak : 380 VAC , 35 VDC
- tegangan toleransi : 10% s/d 40 %
- frequensi : 45 – 65 Hz
- arus kontiniu : 2 x In
- konsumsi daya : 5 VA
10.Annunciator
- Penggunaan : sebagai indikasi dan alarm dan kondisi
kerja
sistem
- Merk : DEEP SEA
- Model : 8 s/d 35 VDC Continous
- Arus operasi maksimum : 340 mA pada 12 V, 15 mA pada 24 V
- Rating tegangan alarm DC : trip tegangan rendah minimum : 0 V
11.Busbar ( Penghantar )
- Arus kontinyu : 6000 Amp
- Bus utama, pentanahan dan koneksi utama antar peralatan dalam satu
panel harus terbuat dari tembaga berkonduktifitas tinggi sesuai dengan
IEC 28.
- kenaikan temperature pada arus kontinyu diatas temperature ambient 40o C
- busbar dilapisi dengan cairan silver dan diatas temperature 65o C
- kenaikan temperature antara koneksi busbar ke kabel berisolasi diatas
temperature 45oC
- Bus pentanahan dari tembaga harus dipasang pada setiap struktur dan
semua bagian dari struktur tersebut harus terhubung pada pentanahan.
- Bus utama dan sambungan – sambungan harus diberi tanda untuk
mengindikasikan fasa - fasanya, dan harus tersusun dalam urutan R, S, T
dari depan ke belakang, atas ke bawah atau kiri ke kanan, jika dilihat dari
sisi mekanisme operasi peralatan “switching”
12.Pentanahan
- semua bagian yang terbuat dari metal selain daripada yang membentuk
sirkit listrik harus tehubung pada “ copper ground bars “ dalam panel
utama, panel kontrol dan sebagainya
- copper ground bars ini harus tidak lebih kecil dari 7 x 50 mm2 untuk panel
13.Peralatan Kontrol dan Pengawatan
- Rele kontrol, rele bantu dan peralatan kecil lainnya harus tertutup,
terlindungi dan mudah dicapai untuk pemeliharaannya, fuse control harus
ditempatkan di daerah tidak akan berbahaya untuk menggantinya.
- Mengguanakan “ flexible connection “ diantara bagian stasioner dan yang
bisa bergerak ( seperti kucing ) “ dan harus dibuat sedemikian rupa agar
memiliki flexibilitas tanpa merusak kawat – kawat.
- Semua “ internal wiring “ harus terhubung pada satu fisi dari blok
terminal. Di sisi lainnya harus digunakan untuk external wiring.
14.Pengecatan
- kabinet harus dicat dengan bahan yang anti korosi ( karat ) dan anti gores
- warna cat disesuaikan dengan permintaan dari pembeli
- prosedur cat adalah “ Powder Coating”.
15.Pengetesan
- Tes harus dilakukan secara keseluruhan sesuai dengan test yang
dispesifikasi dalam standar IEC terkait untuk menentukan kinerja desain
dan karakteristik operasinya.
- Sesudah instalasi di “ site “ semua perlatan harus mengalami test dielektrik
dan harus dioperasikan untuk membuktikan bahwa “ operating gears “,
“stater “, “ protective gear “ dan interlock bekerja dengan baik dan tes
16.Kontrol Mutu
- Setelah dilakukan pengetesan di pabrik maka persyaratan kontrol mutu
harus dilaksanakan.
- Adapun prosedur kontrol mutu sebagai berikut :
a. sertifikat dari masing – masing komponen
b. test urutan wiring
c. test isolasi dan “ HiPot” ( High Potential )
d. test mekanik
e. test fungsi
f. pengepakan dan pengiriman
g. test sambungan antar busbar dan kabinet
h. test pengecatan dan pembersihan kabinet
17.Dokumentasi
Pembuatan dokumentasi kontrol mutu dan yang meliputi sebagai berikut
- cara pengoperasian ( instruksi manual )
BAB IV
PERANAN GENERATOR PARALELLING CONTROL (GPC)
PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL (PLTD)
[image:62.595.117.510.241.449.2]IV.1. Operasi parallel lima generator
Gambar.4.1. Proses paralel antar generator
Pada proses sinkronisasi generator yang berjumlah lebih dari dua generator
(dalam hal ini terdiri dari lima generator) dengan kapasitas sama umumnya
menggunakan metode leader-follower. Metode leader-follower merupakan metode
yang menggunakan salah satu generator sebagai acuan. Dalam hal ini tegangan,
frekuensi, urutan dan sudut fasa generator yang lain harus disesuaikan dengan
tegangan, frekuensi, urutan dan sudut fasa pada generator leader (generator yang
menjadi acuan). Namun ketika generator yang telah diparalelkan tersebut bekerja
memparalelkan adalah sistem. Apabila generator tersebut bekerja dalam suatu
sistem pembangkit yang melayani beban tertentu dan berfungsi sebagai unit
cadangan (standby plant), masing-masing generator harus diparalelkan terlebih
dahulu sebelum melayani beban. Setelah masing-masing generator diparalelkan,
barulah dapat diparalelkan dengan sistem. Pada metode parallelisasi yang
menggunakan metode leader-follower, generator yang terlebih dahulu
diberhentikan apabila terjadi penurunan beban adalah generator yang terakhir
diparallelkan pada saat proses memparallelkan kelima generator. Dengan kata
lain, generator yang terlebih dahulu diberhentikan adalah generator follower,
sedangkan generator yang menjadi leader akan diberhentikan terakhir kali setelah
waktu kerja PLTD selesai.
Proses yang dilakukan pada generator leader akan diuraikan pada proses
sinkronisasi adalah sebagai berikut :
1. Start mesin diesel dan generator diputar dengan kecepatan konstan (1500
rpm).
2. Tegangan dan arus yang disuplai melalui feeder dan busbar selanjutnya
akan diukur oleh generator voltage check dan generator frekuency check.
3. Pada GPC, terminal penerimaan tegangan (100-690 VAC) terdiri dari 2 ;
diantaranya tegangan 3Ø + 1 N yang berasal dari transformator tegangan
pada feeder utama generator leader dan tegangan 3Ø yang berasal dari
transformator tegangan pada busbar.
4. GPC juga menerima sinyal arus 3Ø yang berasal dari transformator arus
5. Setelah tegangan dan arus diukur, hasil pengukuran akan ditampilkan
melalui monitor alat meter yang terdapat pada panel. Selain itu, tegangan
yang berasal dari feeder keluaran generator leader diambil sebagai
masukan pada rele tegangan AC dan arus fasa diambil sebagai masukan
pada rele arus AC. Dimana keluaran dari kedua rele ini akan dikirim
sebagai masukan pada GPC untuk diproses.
Setelah dilakukan pengukuran, sumber tegangan fasa-fasa yang dari
feeder dan busbar diambil masing-masing 1fasa dan digunakan sebagai
terminal pemeriksaan pada saklar penghubung sinkron (synchron switch
key) pada generator leader. Melalui terminal keluaran generator inilah
dilakukan cek sinkronisasi. Pada saklar penghubung sinkron terdapat alat
pengukur tegangan dan frekuensi yang akan mengukur dan mendeteksi
tegangan dan frekuensi dari generator leader serta terdapat juga
sinkronoskop dan rele sinkron yang mendeteksi apakah generator masih
dalam keadaan sinkron atau tidak.
Sedangkan proses yang pada generator follower adalah sebagai berikut :
1. Melalui cara yang sama pada generator leader, dilakukan pengukuran
besar tegangan, arus, frekuensi dan sudut fasa pada generator follower.
2. Setelah itu tegangan, frekuensi yang telah diukur tadi akan di kirim ke
saklar penghubung sinkron pada GPC generator follower. Pada GPC
generator follower, parameter (tegangan dan frekuensi) dari kedua
follower tidak sesuai dengan generator leader, maka akan dilakukan
pengaturan kecepatan oleh AVR melalui kontrol GPC.
Pada pengaturan kecepatan, sebelum memparalelkan generator, kecepatan
putaran telah diatur melalui AVR yang menyuplai governor dalam
mengatur bahan bakar yang disuplai pada mesin diesel dan exciter dalam
mengatur medan arus penguatan pada generator. Sedangkan sebelum
proses sinkronisasi, AVR yang akan mendeteksi dan mengukur apabila
terjadi perubahan kecepatan mesin.
3. Setelah tegangan frekuensi generator follower sama dengan generator
leader, maka dengan bantuan sinkronoskop sudut fasa dapat disamakan
dan generator dapat disinkronkan. Apabila sudut fasa telah sama, maka
rele sinkron akan memberikan sinyal kepada GPC dan selanjutnya GPC
akan memerintahkan saklar penghubung sinkron untuk menutup dan
sebaliknya.
Spesifikasi generator yang digunakan pada PLTD ini adalah sebagai
berikut :
-Model Generator : MGS Series 2000C
-Frame : HCK7
-Jumlah kutub : 4
-Daya keluaran : -2000 kVA
-Tegangan keluaran : 380 – 440 V
-Faktor daya : 0.8
-Putaran : 1500 rpm
-Dimensi : P : 5385 mm
L : 2490 mm
T : 2935 mm
-Berat total (kering) : 12200 kg
-Berat total (basah) : 12900 kg
-Temperatur : -300 C – 1200 C
-Sistem Penguatan : Sendiri (PMG-AVR MX321 & MX 341)
-Penampang poros : 162 cm3
-Air Flow : 3.1 m3/sec
6550 (cfm)
-Frekuensi getaran : 25 Hz
-Perpindahan getaran: 0.32 mm (rms)
-Kecepatan getaran : 20 mm/s (rms)
-Akselerasi getaran : 13 m/s2 (rms)
Pada saat memparallelkan generator, jumlah beban (beban aktif dan
reaktif) yang dipikul oleh kelima generator sama dengan jumlah daya yang
dihasilkan oleh kelima generator. Hal ini dapat dilihat pada persamaan daya
dibawah ini :
Tegangan dan frekuensi yang dihasilkan oleh setiap generator disetting
sama sebelum diparallelkan antar generator dan sebelum melayani beban. Oleh
karena itu, besar daya yang dihasilkan oleh setiap generator relatif sama. Hal ini
dapat kita lihat pada perhitungan daya yang dihasilkan oleh generator :
ϕ
Cos I V
P= 3. . . Q= 3.V.I.Sinθ
ϕ
Cos I
V
P= 3. N. Beban. Q= 3.VN.IBeban.Sin
