BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP
Pada PLTU, energi sebagai suatu arus panas dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil/konvensional. Energi berupa panas tersebut digunakan untuk memanaskan boiler dan menghasilkan uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi. Energi berupa panas dikonversikan menjadi energi mekanikal yang menggerakkan/memutar sebuah generator, perubahan energi panas menjadi mekanikal dan energi listrik ini melalui suatu siklus konversi energi yang sangat bergantung pada jumlah panas, pola suhu dan suhu lingkungan atau suhu penerima panas yang tersedia (dalam hal ini boiler). Suatu siklus panas menerima sejumlah energi panas pada suatu suhu tertentu, dan merubah sebagian energi panas itu menjadi kerja, membuang atau meneruskan yang selebihnya kepada lingkungan atau penerima panas itu sebagai “energi kerugian” pada suhu yang lebih rendah (dalam hal ini dapat dilihat pada fungsi kondensor).
II.1.1 Siklus Tenaga Uap
Siklus Rankine atau siklus tenaga uap merupakan siklus teoritis paling sederhana yang mempergunakan uap sebagai media kerja sebagaimana dipergunakan pada sebuah pusat listrik tenaga uap. Pusat listrik tenaga uap yang terdiri atas komponen-komponen terpenting yaitu : Boiler, Turbin Uap, Kondensor dan Generator listrik. Jumlah energi masuk sebagai bahan bakar melalui boiler adalah Em, sedangkan energi efektif yang tersedia pada poros turbin adalah energi kerja Ek. Energi yang terbuang melalui kondensor adalah sebesar Eb. Dengan menganggap semua kerugian lainya adalah Eb, maka dapat sikatakan bahwa berlaku :
Em = Ek + Eb
Sedangkan untuk efisiensi kerja dapat ditulis : η = Em Ek = Em Eb Em−
Dalam gambar 2.2, merupakan suatu diagram suhuentropi konstelasi, menurut gambar 2.2, luas 1-2-3-4 merupakan energai keluaran Ek, sedangkan luas a-b-3-4 merupakan energi terbuang Eb, luas wilayah a-b-2-1 mewakili jumlah energi masukan Em. Untuk meningkatkan dayaguna siklus ini dapat dilakukan dengan menurunkan tekanan kondensor. Secara ideal takanan kondenser yang terendah adalah tekanan jenuh sesuai suhu terendah dari air pendingin atau udara yang dipakai sebagai penerima. Dalam diagram suhu-entropi hal ini berarti menutunkan garis suhu 4-3. hal ini dapaat dilakukan dengan menggunakan air pendingin pada kondensor yang mempunyai suhu yang lebih rendah. Akan tetapi hal ini sangat terbatas, karena air pendingin yang dapat dipakai hanyalah apa yang tersedia, yaitu air laut, air sungai, atau danau yang ada.
pompa boiler uap turbin Ek kondensor air 1 2 3 4 Eb Em 1 2 3 4 a b entropi suhu Gambar 2.1. Skema pusat listrik tenaga uap Gambar2.2. Siklus Rankine
II.1.2 Siklus Pemanasan Ulang
Peningkatan efisiensi dapat pula dilakukan dicapai dengan mempergunakan proses pemanasan ulang. Proses pemanasan ulang ini terlihat pada gambar 2.3. turbin uap tebagi dua bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT) dan bagian Tekanan Rendah (TR). Uap yang telah dipakai pada taraf pertama meninggalkan bagian TT pada titik 3 dan dialirkan kembali ke boiler untuk pemanasan ulang, kemudian dimasukkan kembali ke turbin pada titik 4 dan dipakai oleh bagian TR turbin uap tersebut.
Pemanas lanjut
pompa boiler
uap tekanan
tinggi kotak turbin
kondensor air 1 2 3 4 Em 5 6 Ek Eb G uap tekanan rendah 1 2 3 6 a b entropi suhu 4 5 (a) (b)
Gambar 2.3. PLTU dengan Proses Pemanasan Ulang
Luas 1-2-3-4-5-6 dari gambar 2.3b yang mewakili jumlah energi yang dimanfaatkan, dengan demikian menjadi lebih besar, dan dayaguna atau efisiensi termal dari pusat tenaga listrik menjadi lebih besar pula. Untuk mesin-mesin yang lebih besar, pemanasan ulang dapat dilakukan hingga dua kali, dan turbin uap terbagi atas tiga bagian, yaitu bagian Tekanan Tinggi (TT), Tekanan Menengah (TM), dan Tekanan Rendah (TR). Keuntungan dari pemanasan kembali adalah untuk menghindari terjadinya korosi, pengikisan, peningkatan kualiltas uap, peningkatan efisiensi sudu dan nosel, efisiensi panas, dan daya luaran. Tetapi biaya yang diperlukan untuk pemanasan kembali lebih besar dibandingkan dengan keuntungan yang didapat dari peningkatan efisiensi panas, disamping itu pemelliharaan menjadi lebih banyak
II.1.3 Siklus Regeneratif
Dalam apa yang dinamakan siklus regeneratif sebagian dari energi yang berada didalam rangkaian panas dipertahankan beredar dalam rangkaian itu. Hal demikian dilakukan dengan misalnya memanaskan air yang keluar dari kondensor dengan uap yang “dipinjam” dari turbin, sebelum dimasukkan ke boiler sebagaimana terlihaat dalam gambar 2.4b.
a b entropi suhu 1 2 3 6 4 5 7 8 boiler
uap tekanan tinggi box
turbin kondensor air 1 2 3 Ek Eb 5 4 6 7 8 Em G uap tekanan rendah (a) (b) Gambar 2.4. PLTU dengan Siklus Regeneratif
II.2 KOMPONEN UTAMA PLTU
Strukutur dan komponen-komponen utama sebuah pusat listrik tenaga uap (PLTU) terlihat pada gambar 2.5. Sebuah boiler bekerja sebagai tungku, memindahkan panas berasal dari bahan bakar kepada barisan pipa-pipa air yang mengelilingi api. Air harus berada senantiasa dalam keadaan mengalir walaupun dilakukan dengan pompa.
Sebuah drum berisi air dan uap bertekanan dan suhu tinggi menghasilkan uap yang diperlukan turbin. Drum itu juga menerima air pengisi yang diterima dari kondensor. Uap mengalir ke turbin tekanan tinggi setelah melewai superhiter guna meningkatkan suhu kira-kira 200OC. Dengan demikian uap menjadi kering dan efisiensi seluruh PLTU meningkat.
Turbin tekanan tinggi merubah energi termal menjadi energi mekanikal dengan mengembangnya uap yang melewati sudu-sudu turbin. Uap dengan demikian menurun baik tekanan maupun suhunya. Agar meningkatkan efisiensi termal dan menghindari terjadinya kondensasi terlalu dini, uap dilewatkan sebuah pemanas ulang yang juga terdiri atas barisan-baarisan pipa yang dipanaskan.
Uap yang yang meninggalkan pemanas ulang dialirkan ke turbin tekanan menengah. Turbin ini ukuranya lebih besar dari turbin tekanan tinggi, karena dengan menurunya tekanan uapvolume menjadi naik. Uap kemudian dialirkan ke turbin tekanan rendah, yang memiliki ukuran yang lebih besar. Uap lalu dialirkan ke dalam
kondensor. Uap terpakai yang memasuki kondensor didinginkan oleh air pendingin, sehingga menjadi kondensasi. Air pendingin biasanya berasal dari laut, sungai atau danaua tersekat. Proses kondensai uap menyebabkan terjadinya pakem yang diperlukan guna meningkatkan efisiensi turbin. Air hangat yang meninggalkan kondensor dipompakan ke sebuah pemanas awal sebelum dikembalikan ke drum boiler. Pemanas awal memperoleh panas dari uap yang diambil dari turbin tekanan tinggi. Menurut beberapa studi yang dilakukan, hal demikian meningkatkan efisiensi keseluruhan PLTU.
Bahan bakar yang dipakai biasanya tersdiri atas batu bara, minyak bakar, atau gas bumi. Sebelum dimasukkan ke pembakar boiler. Batu bara digigling terlebih dahulu. Demikian juga minyak bakar perlu dipanaskan, sebelum dapat dialirkan ke pembakar boiler. Sebuah kipas mengatur masuknya udara kedalam boiler dalam jumlah besar sebagaimana diperlukan guna pembakaran. Dan sebuah kipas lain mengatur agar semua gas buang melewati berbagai alat pembersih sebelum dialirkan ke cerobong dan dilepas diudara bebas. Geberator listrik terpasang pada poros sama dengan ketiga turbin.
Selain komponen-komponen utama yang disebutkan diatas, sebuah PLTU masih memiliki ratusan lagi komponen dan alat lain guna menjalankan seluruh sistem, seperti katup uap, pembersih air, pompa minyak pelumas, dan lain sebagainya. Kemudian perlu juga disebut sistem air pendingin, yang terdiri atas tempat air masuk dan kembali ke laut, sungai ayaua danau. Kemungkinan adanya menara pendingin. Kemudian instalasi untuk membuat air bersih bagi boiler. Dan bilamana pendinginan generator dilakukan dengan hidrogen, terdapat pula sebuah instalasi hidrogen. Sebuah PLTU batu bara juga perlu memiliki sebuaha fasilitas untuk penerimaan batu bara dari kereta api atau dari laut/sungai serta sebuah halaman batu bara dengan fasilitas penggilingan. Banyak PLTU batu bara juga dilengkapi dengan fasilitas untuk memanfaatkan abu terbangnya guna dibuat batu bata untuk bangunan atau jalanan. Dan tidak kalah penting perlu adanya fasilitas untuk mengurangi pencemaran. Agar partikel-partikel tidang dibuang ke uadara melalui cerobong, digunakan presipitator elektrostatik ( electrostatik presipitator). Dan untuk mengurangi emisi belerang digunakan peralatan desulfuralisasi gas buang (fluegas desulfurization, FGD). Sulfur sering terdapat pada batu bara. Untuk mengurangi masalh ini dikembangkan apa yang dinamakan teknologi batu bara bersih (clean coal technology).
1 2 3 4 5 6 P 7 11 8 P 9 10 Q3 Q2 Q1 P air pendingin uap tekanan tinggi uap tekanan menengah uap tekanan rendah turbin
Gambar 2.5 Komponen utama PLTU 1 : Boiler P : Pompa
2 : Drum Q1 : Pipa-pipa Boiler
3 : Turbin Tekanan Tinggi Q2 : Superhiter 4 : Turbin Tekanan Menengah Q3 : Pemanas Ulang 5 : Turbin Tekanan Rendah
6 : Kondensor 7 : Pemanasan Awal
8 : Pembakaran Bahan Bakar 9 : Kipas Udara Masuk 10 : Kipas Gas Buang 11 : Generator
II.2.1 Boiler
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau uap (steam). Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali,
menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.
Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air umpan adalah: (1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan (2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.
Pada umumnya ketel uap diperlukan pada semua industri/perusahaan yang memerlukan pemanasan di dalam produksinya atau menggunakan tenaga uap untuk menjalankan mesin-mesinya. Ketel uap dipakai juga di rumah-rumah sakit untuk memasak, memanasi suatu bejana, tempat pencucuian dan digunakan untuk penggerak mesin-mesin yang harus berputar cepat (turbin uap) dan suatu mesin yang memerlukan suatu tenaga dorong yang sangat kuat (mesin uap), kapal-kapal laut hingga masa kini masih banyak menggunakan tenaga uap sebagai penggeraknya.
Ketel uap adalah pesawat yang disusun untuk mengubah air dingin (dari air sumur atau air sungai) untuk menjadi uap dengan jalan pemanasan, karena panas yang perlu untuk pembentukan uap ini didapat dari pembakaran bahan bakar.
Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi
boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing-masing.
Gambar 2.6. Diagram neraca energi boiler
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.
Ketel uap dapat diklasifikasikan berdasarkan : 1. Jenisnya
A. Ketel Pipa api (Fire Tube Boiler) B. Ketel Piapa Air (Water Tube Boiler) C. Ketel Tangki
2. bahan bakar yang digunakan A. Padat
B. Cair C. Gas 3. Kegunaan
A. Di darat (stationer)
B. Di laut atau transportasi (locomobile) 4. Tekanan kerja
A. Rendah (< 5 ata)
B. Menengah/medium (5-40 ata ) C. Tinggi (40-80 ata )
D. Ekstra tinggi (super kritis) 5. Produksi uap
A. Kecil (<250 kg/jam)
B. Menengah (250-5000 kg/jam) C. Besar (>5000 kg/jam)
II.2.1.1 Ketel pipa api (fire tube boiler)
Pada fire tube boiler gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan ada di dalam shell untuk dirubah menjadi uap. Fire tube boiler biasanya digunakan untuk boiler dengan kapasitas uap yang relatif kecil dengan tekanan uap rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan uap sampai 12000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire Tube Boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Gambar 2.9. Gambar sederhana fire tube boiler (ketal pipa api)
II.2.1.2 Ketel pipa air (water tube boiler)
Pada ketel pipa air (water tube boiler), air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4500 – 12000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.
Pipa api Air
Gambar. 2.10. Diagram sederhana Ketel pipa air/water tube boilers
Karakteristik water tube boilers sebagai berikut :
• Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran.
• Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. • Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
II.2.1.3 Ketel tangki (shell type boiler)
Ketel tangki adalah drum atau selongsong (shell) silinder tertutup yang berisi air. Bagian dari selongsong sedemikian rupa sehingga bagian bawahnya secara sederhana terekspose ke atas, yaitu gas hasil pembakaran dari luar. Ketel jenis selongsong berkembang secara perlahan menjadi bentuk yang modern seperti ketel elektrik, yang mana panas disuplai elektroda yang dipasang dalam air, atau akumulator, yang didalamya panas disuplai oleh uap dari sumber luar yang mengalir melalui pipa-pipa (tubes) di dalam selongsong. Dalam kedua kasus ini selongsong tidak terekspose ke panas. Jenis ketel ini adalah tangki tegak dan tangki horisontal.
Udara dan bahan bakar masuk
Ruang bakar Pipa air
Uap keluar
Air masuk
II.2.2 Turbin Uap
Turbin uap adalah pesawat dengan aliran tetap (steady-flow) machine. Turbin uap mendapat energi uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi yang berekspansi melalui sudu-sudu turbin, dimana uap melalui nosel diekspansikan ke sudu-sudu turbin dengan penuruna tekanan yang drastis sehingga terjadi perubahan energi kinetik pada uap. Energi kinetik uap yang keluar dari nosel diberikan pada sudu-sudu turbin. Akibatnya, poros turbin berputar dan menghasilkan tenaga.
Ditinjau dari cara kerja transfer energi uap ke poros, turbin uap dapat dibedakan atas dua tipe :
1. turbin reaksi
2. turbin impuls (aksi)
Apabila ditinjau dari aliran uap, turbin uap dapat diklasifikasikan atas tiga tipe, yaitu : 1. turbin aliran radial
2. turbin aliran tangensial 3. turbin aliran aksial
II.2.2.1 Turbin Reaksi
Turbin uap reaksi biasanya juga memiliki tingkat Curtis pada awal turbin. Bagian kedua terbangun sebagai turbin tekanan tersusun reaksi (jenis Parsons). Penurunan tekanan tiap tingkat lebih rendah dari turbin impuls, sehingga turbin memerlukan tingkat lebih banyak, namun sudu-sudunya lebih murah. Karena penurunan tekanan dalam sudu tetap kecil, desain diafragma menjadi lebih sederhana dan piringannya adalah jenis drum. Efisiensi untuk satu tingkat sedikit lebih baik dari turbin impuls.
a. Turbin reaksi pertama b. Sudu turbin reaksi Ket : Sudu diam (A, A1, A2), sudu bergerak (B, B1, B2)
II.2.2.2 Turbin Impuls (Aksi)
Uap mula-mula memasuki tingkat Curtis dengan kecepatan tersusun seperti pada turbin uap impuls. Uap memasuki tingkat ini melalui regulator, dan tanpa regulator pada bagian kedua, yaitu turbin tekanan tersusun impuls (Rateau). Pada setiap tingkat di Rateau, penurunan tekanan atau panas terjadi pada sudu-sudu tetap dan penurunan tekanan ini dikonversikan menjadi energi kinetik. Karena penurunan tekanan antara bagian masuk dan keluar sudu tetap adalah besar, maka diperlukan sealing yang efektif. Susunan yang demikian memerlukan rotor jenis piringan. Panjang aksial dari satu tingkat adalah relatif lebar karena rancangan diafragma piringan.
(a) Turbin Buatan Branca 1629 (b) Diagram Sudu Turbin Impuls Ket : nozzle (A, AA), sudu bergerak (B1, B2, BB1, BB2), sudu diam (C, CC)
Gambar 2.12. Prinsip Kerja Turbin Impuls II.2.2.3 Turbin Radial
Turbin Ljungstrom adalah turbin uap aliran kearah luar. Panjang aksial sudu membesar kearah radial untuk memberi kesempatan uap berekspansi. Jumlah rotor dan casing adalah dua buah yang berputar berlawanan, dengan tiap rotor dihubungkan dengan satu generator. Turbin ini tidak mempunyai sudu pengarah , dan sudunya bertipe reaksi. Efisiensinya tinggi, namun tidak dibuat untuk keluaran daya tinggi karena sudu yang terlalu panjang pada bagian luar terkena tegangan bengkok yang besar pada bagian akar sudu. Arah aliran uap adalah pada bidang tegak lurus sumbu mesin, dan arahnya bisa masuk dan keluar.
Gambar 2.13. Turbin Ljungstrom II.2.2.4 Turbin Tangensial
Jenis turbin ini memliki konstruksi yang kokoh akan tetapi efisiensinya sangat rendah. Pancaran uap dari nosel diarahkan untuk menghembus bucket yang dipasang melingkar pada rotor (gambar 2.14). arah hembusan uap adalah tangensial (pada garis singgung putaran bucket).
Gambar 2.14 Turbin Tangensial Gambar 2.15 Turbin Aliran Aksial II.2.2.5 Turbin aliran aksial
Tipe ini yang paling populer dan sangat cocok untuk kapasitas besar. Turbin ini dapat merupakan tipe reaksi dan juga merupakan tipe impuls. Arah aliran uap sejajar dengan poros (gambar 2.15).
II.2.3 Kondensor
Kondensor merupakan peralatan untuk mengembunkan kembali uap yang telah dimanfaatkan untuk memutar turbin uap. Hal ini diperlukan untuk menghemat sumber air yng ada di sekitarnya serta menjamin kemurnian air yang digunakan dalam sistem turbin uap agar tidak terjadi pengendapan maupun kotoran-kotoran yang dapat merusak. Sebagai pendingin kondensor biasanya menggunakan air dingin seperti air sungai, laut atau air tanah yang sudah diproses melalui water treatment terlebih dahulu.
Gambar 2.16 Kondensor Uap
II.2.4 Generator Listrik
Generator AC yang akan dibahas adalah generator yang termasuk jenis mesin serempak (mesin sinkron) dimana frekwensi listrik yang dihasilkan sebanding dengan jumlah kutup dan putaran yang dimilikinya. Listrik yang dihasilkan adalah listrik arus bolak balik (listrik AC). Mesin penggerak (prime mover) nya dapat berasal dari tenaga air, tenaga uap, mesin diesel, dan sebagainya.
Generator AC banyak kita jumpai pada pusat-pusat listrik (dengan kapasitas yang relatif besar). Misalnya pada PLTA, PLTU, PLTD, PLTN, PLTG, dan lain lain.
air pendingin masuk ke pipa sekat
arah aliran air
air pendingin dari pipa
pompa air pendingin pipa uap dari turbin air hasil kondensasi
Disini umumnya generator AC disebut dengan alternator atau generator saja. Selain generator AC dengan kapasitas yang relatif besar tersebut, kita mengenal pula generator dengan kapasitas yang relatif kecil. Misalnya generator yang dipakai untuk penerangan darurat, untuk penerangan daerah-daerah terpencil (yang belum terjangkau PLN), dan sebagainya. Generator tersebut sering disebut home light atau generator set.
Dibandingkan dengan generator DC, generator AC lebih cocok untuk pembangkit tenaga listrik berkapasitas besar. Hal ini didasarkan atas pertimbangan-pertimbangan, antara lain :
• Timbulnya masalah komutasi pada geberator DC
• Timbulnya persoalan dalam hal menaikkan/menurunkan tegangan pada listrik DC. Hal ini menimbulkan persoalan untuk hantaran dalam pengiriman tenaga listrik (transmisi/distribusi), masalah penampang kawat, tiang transmisi, rugi-rugi, dan sebagainya.
• Listrik AC relatif lebih mudah untuk diubah menjadi listrik DC. • Masalah efisiensi mesin dan lain-lain pertimbangan.
Konstruksi generator AC lebih sederhana dibandingkan generatoe DC. Bagian-bagian terpenting dari generator AC adalah :
• RANGKA STATOR, dibuat dari besi tuang. Rangka stator merupakan rumah dari bagian-bagian generator yang lain.
• STATOR, bagian ini tersusun dari plat-plat (seperti yang digunakan juga pada jangkar dari mesin-mesin arus searah) stator yang mempunyai alur-alur sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai tempat terjadinya GGL induksi.
• ROTOR, rotor merupakan bagian yang berputar. Pada rotor terdapat kutub-kutub magnet dengan lillitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin geser dan sikat-sikat.
• SLIP RING atau CINCIN GESER, dibuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini berputar bersama-sama dengan poros rotor. Jumlah slip ring ada dua buah yang masing slip ring dapat menggeser sikat arang yang masing-masing merupakan sikat positif dan sikat negatif, berguna untuk mengalirkan arus penguat magnet ke lilitan magnet pada rotor.
• GENERATOR PENGUAT, generator penguat adalah suatu generator arus searah yang dipakai sebagai sumber arus. Biasanya yang dipakai adalah dinamo shunt. Generator arus searah ini biasanya dikopel terhadap mesin pemutarnya bersama generator utama. Akan tetapi sekarang banyak generator yang tidak menggunakan generator arus searah (dari luar) sebagai sumber penguat, sumber penguat diambil dari GGL sebagian kecil belitan statornya. GGL tersebut ditransformasikan kemudian disearahkan dengan penyearah elektronik sebelum masuk pada bagian penguat.
Generator generator sinkron umumnya dibuat sedemikian rupa sehingga lilitan tempat terjadinya GGL tidak bergerak, sedangkan kutub-kutub akan menimbulkan medan magnet berputar. Generator semacam ini disebut generator kutub dalam. Keuntungan generator kutub dalam ialah bahwa untuk mengambil arus listrik tidak dibutuhkan cincin geser dan sikat arang. Hal ini disebabkan lilitan-lilitan tempat terjadinya GGL itu tidak berputar. Genertor sinkron tersebut terutama sangat cocok untuk mesin-mesin dengan tegangan yang tinggi dan arus yang besar.
Untuk mengalirkan arus penguat ke lilitan penguat yang berputar tetap diperlukan cincin geser dan sikat arang. Meskipun demikian bukan berarti bahwa hal tersebut memberatkan karena arus penguat magnet tidak begitu besar dan tegangannya pun rendah.
Bagian-bagian terpenting dari stator adalah rumah stator, inti stator dan lilitan stator. Inti stator adalah sebuah silinder yang berlubang, terbuat dari plat-plat dengan alur-alur di bagian kelilling dalamnya. Didalam alur-alur itu dipasang lilitan statornya. Ujung-ujung lilitan stator ini dihubungkan dengan jepitan-jepitan penghubung tetap dari mesin. Bagian-bagian terpenting dari rotor adalah kutup-kutup, lilitan penguat, cincin geser dan sumbu (as). Konstruksi generator yang umum digunakan adalah jenis kutub dalam dan yang selanjutnya dibicarakan adalah konstruksi generator kutub dalam ini. Kelebihan generator kutub dalam pada intinya adalah bahwa genrator ini dapat menghasilkan tenaga listrik yang sebesar-besarnya, karena tegangan yang terbentuk dapat langsung diambil dari lilitan statornya.
Secara umum kutub magnet mesin sinkron dibedakan atas :
1. Kutub magnet dengan bagian kutub yang menonjol (salient pole). Konstruksi seperti ini digunakan untuk putaran rendah, dengan jumlah kutub yang banyak.
2. Kutub magnet dengan bagian kutub yang tidak menonjol (non salient pole). Konstruksi seperti ini digunakan untuk putaran tinggi, dengan jumlah kutub yang sedikit. Kira-kira 2/3 dari seluruh permukaan rotor dibuat alur-alur untuk tempat lilitan penguat. Yang 1/3 bagian lagi merupakan bagian yang utuh, yang berfungsi sebagai inti kutub
Menurut teori listrik, GGL induksi yang dihubungkan pada kumparan dalam medan magnet ialah :
E = 4.44 . f . ф . N (Volt) E = 2,22 . f . ф . Z (Volt) Dimana :
E : GGL induksi (Volt) f : Frekwensi listrik (Hz)
ф : besarnya fluks magnet (Weber) N : jumlah lilitan
Z : jumlah sisi lilitan
f = 120 .n P Dimana: f : frekuensi listrik
P : banyaknya kutub magnet n : putaran generator per menit
Jadi jika nilai f dimasukkan ke persaman diatas maka : E = 4.44 .
120 .n P
. ф . N (Volt)
Karena nilai P dan N tidak berubah pada generator maka harga-harga yang tidak berubah akan dijadikan menjadi suatu ketetapan yang kita sebut dengan Konstanta (K) sehingga persamaan lebih mudah untuk dipahami.
E = K . n . ф Dimana :
E : GGL induksi (Volt) K : konstanta
Banyak penyediaan listrik terdiri atas sistem tiga fase, dan terdapat tiga pasangan elektromagnet yang terpisah serta tiga set kumparan yang juga terpisah. Antara masing-masing fase terdapat selisih 120 derajat listrik antara arus ketiga fase. Ketiga fase itu biasanya ditandai u-v-w, atau juga r-s-t, dan dapat menurut hubungan delta atau hubungan bintang. Tegangan antara dua fase adalah V. Khusus pada hubungan bintang, terdapat titik bintang, yang diberi tanda 0. Tegangan antara fase dan titik bintang adalah V 3. Daya sebuah generator 3 phasa dinyatakan dalam rumus berikut :
P = 3 VL−L.I cosφ. Atau
P = 3 VL−N. I . cosφ ( V dalam satu phasa)
Di mana :
P : daya (W)
VL−L : tegangan phasa-phasa (V) VL−N : tegangan phasa-netral (V) I : arus beban (A)
Cosφ : faktor daya
Keteraangan :
If : arus kumparan medan atau arus penguat Rf : hambatan kumparan medan
Ra : hambatan armatur Xl : reaktansi bocor
Vt : tegangan output/terminal Ea : gaya gerak listrik armatur
Pada generator sinkron keadaan jalan tanpa beban menandung arti bahwa arus armatur (Ia) = 0. Dengan demikian besar tegangan terminal adalah :
Vt = Ea = Eo
Gambar 2.18 Rangkaia listrik generator berbeban
Pada generator sinkron berbeban, maka pada kumparan armatur timbul Ia dan Xm akibatnya timbul penurunan GGL armatur tanpa beban. Tegangan terminal Vt yang timbul adalah :
Vt = Ea – I (Ra + j Xs) Vt = Ea – Ia Zs
Daya nominal sebuah generator biasanya dinyatakan dalam kW, atau MW, ataupun dalam kVA atau MVA. Daya nominal ditentukan oleh suhu kerja dari kumparan, sedangkan faktor daya biasanya adalah 0,8. Efisiensi sebuah generator dinyatakan dalam rasio keluaran dibagi masukan. Keluaran yang bermanfaat merupakan seluruh masukan dikurangi rugi-rugi. Terdapat dua jenis rugi-rugi yaitu : mekanikal dan elektrikal. Rugi-rugi mekanikal termasuk gesekan bantalan dan udara, sedangkan
rugi-rugi elektrikal terdiri atas rugi-rugi besi dan tembaga. Semua rugi-rugi akan mengakibatkan terjadinya panas yang harus dihilangkan melalui pendinginan.
II.2.4.1 Pengaturan beban aktif dan reaktif
Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi para pelanggan dengan frekwensi yang praktis kontan. Penyimpangan frekwensi dari nilai nominal harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan.
Daya aktif mempunyai hubungan erat dengan nilai frekwensi dalan sistem, sedangkan beban sistem yang berupa daya aktif maupun rektif selalu berubah sepanjang waktu. Hal dengan hal ini, maka untuk mempertahankan frekwensi dalam batas toleransi yang diperbolehkan, penyediaan/pembangakitan daya reaktif dalam sistem harus disesuaikan dengan kebutuhan pelanggan atas daya aktif, harus selalu disesuaikan dengan beban daya aktif. Penyesuaian daya aktif ini dilakukan dengan mengatur besarnya kopel penggerak generator. Penambahan kopel pemutar generator memerlukan tambah bahan bakar pada unit pembangkit termis dan pada unit PLTA memerlukan penambahan air. Oleh karenanya produksi MWH memerlukan bahan bakar pada unit pembangkit termis dan memerlukan sejumlah air pada unit PLTA.
Menurut hukum Newton ada hubungan antara kopel mekanis penggerak generator dengan perputaran generator yaitu :
(TG - TB) = H x
dt dω
Dimana :
TG : Kopel penggerak generator
TB : Kopel beban yang membebani generator
H : Momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya ω : kecepatan sudut perputaran generator
sedangkan frekwensi yang dihasilkan generator adalah : f = π2ω
Hal ini berarti bahwa pengaturan frekwensi dalam sistem berarti pula pengaturan kopel penggerak generator atau juga berarti pengaturan daya aktif dari generator. Ditinjau dari segi mesin penggerak generator ini berarti bahwa pengaturan frekwensi sistem adalah pengaturan pemberian bahan bakar pada unit termis dan pengaturan pemberian air pada unit PLTA. Ditinjau dari segi beban sistem, frekwensi akan turun
apabila daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan sebaliknya frekwensi akan naik apabila ada surplus daya aktif dalam sistem.
Secara tidak langsung penyediaan daya reaktif dapat pula mempengaruhi frekwensi sistem, karena penyediaan daya reaktif mempunyai pengaruh besar terhadap kenaikan tegangan yang selanjutnya dapat menyebabkan kenaikan beban daya aktif.
Dalam penyediaan tenaga listrik bagi para pelanggan, tegangan yang konstan seperti halnya frekwensi yang konstan, merupakan salah satu syarat utama yang harus dipenuhi. Oleh karenanya masalah pengaturan tegangan merupakan masalah operasi sistem tenaga listrik yang perlu mendapat penanganan tersendiri. Pengaturan tegangan erat kaitanya dengan pengaturan daya reaktif dalam sistem. Berbeda dengan frekwensi yang sama dalam semua bagian sistem, tegangan tidak sama dalam setiap bagian sistem, sehingga pengaturan tegangan adalah lebih sulit dibandingkan dengan pengaturan frekwensi. Kalau frekwensi praktis hanya dipenuhi oleh daya nyata MW dalam sistem, di lain pihak tegangan dipenuhi oleh :
A. Arus penguat generator (eksitasi) B. Daya reaktif beban
C. Daya reaktif yang didapat dalam sistem (selain generator), misalnya dari kondensator dan dari reaktor
D. Posisi tap transformator
Dalam sistem tenaga listrik ada dua variabel yang dapat diatur secara bebas, disebut variabel pengatur (control variabel), yaitu daya nyata (MW) dan daya reaktif (MVAR). Seperti telah diuraikan diatas, pengaturan daya nyata akan mempengaruhi frekwensi, sedangkan pengaturan daya reaktif akan mempengaruhi tegangan. Butir a sampai d tersebut diatas adalah cara untuk mengatur daya reaktif yang harus disediakan dalam sistem. Secara singkat dapat dikatakan bahwa :
MW merupakan variabel pengatur frekwensi. MVAR merupakan variabel pengatur tegangan.
