5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU)7
PLTGU adalah gabungan antara PLTG dengan PLTU, dimana panas dari gas buang dari PLTG yang masih besar sekitar 500oC dimanfaatkan kembali sebagai bahan bakar untuk memanaskan air yang nantinya akan menghasilkan uap yang digunakan sebagai fluida kerja di PLTU. Dan bagian yang digunakan untuk proses pemanasan fluida tersebut adalah HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang memiliki beberapa tahap pemanasan. PLTGU merupakan suatu instalasi peralatan yang berfungsi untuk mengubah energi panas (hasil pembakaran bahan bakar dan udara) menjadi energi listrik yang bermanfaat. Pada dasarnya, sistem PLTGU ini merupakan penggabungan antara PLTG dan PLTU (Combined cycle).
Prinsip kerja PLTGU adalah sebagai berikut, mula-mula udara dimasukkan dalam kompresor dengan melalui air filter / penyaring udara agar partikel debu tidak ikut masuk ke dalam kompresor tersebut. Pada kompresor tekanan udara dinaikkan lalu dialirkan ke ruang bakar (combustor) untuk dibakar bersama bahan bakar.
Disini, penggunaan bahan bakar menentukan apakah bisa langsung dibakar dengan udara atau tidak. Jika menggunakan BBG, gas bisa langsung dicampur dengan udara untuk dibakar. Tapi jika menggunakan BBM harus dilakukan proses pengabutan dahulu pada burner baru dicampur udara dan dibakar. Pembakaran bahan bakar dan udara ini akan menghasilkan gas bersuhu dan bertekanan tinggi yang berenergi (enthalpy). Gas ini lalu disemprotkan ke turbin dengan menggunakan nozzle yang ada didalam combustor, didalam combustor ini suhu yang didapat sekitar 35000F sehingga gas yang ditembakan tadi akan menggerakan gas turbin yang menghasilkan energi gerak untuk memutar generator setelah itu energi gerak atau mekanik tadi akan di ubah oleh generator menjadi energi listrik yang akan siap di masukan ke dalam transformator di distribusikan. Selanjutnya gas hasil dari pembakaran GTG tadi masih bisa
7PT Metaepsi Pejebe Power Generation. 2006. LM6000 Package For Basic Operation Course.
6
dimanfaatkan kembali karna suhu gas yang masih tinggi sekitar 5000C sehingga gas tersebut di alirkan HRSG untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar untuk menggerakan steam turbine. Didalam HRSG ini terdapat proses pemanasan dimana ada 3 proses pemanasan fluida ( economizer , evaporator dan super heater), sebelum dilakukan pemanasan fluida harus di treatment terlebih dahulu untuk menghilangkan kandungan mineral dan zat – zat yang berbahaya yang dapat merusak pump atau peralatan di PLTGU tersebut. Setelah dilakukan pemanasan fluida di HRSG yang telah menghasilkan uap kering maka uap kering tersebut akan di tembakkan untuk menggerakan Steam turbin yang kemudian akan menggerakan generator dan akan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Setelah uap di tembakan ke turbin maka uap kering tadi akan masuk kedalam condenser didalam condenser inilah terjadi proses perubahan siklus yang tadi nya uap kering menjadi air kembali, kemudian air tersebut dialirkan melalui pump ke cooling tower dan deareator didalam deareator ini air kembali di treatment untuk menghilangkan kandungan yang terdapat didalamnya dan melalui feed water pump akan di masukan kembali kedalam HRSG untuk dipanaskan.
Dan siklus yang terjadi di PLTGU ini adalah secara berulang – ulang.
2.1.1 Bagian – Bagian PLTGU7
Secara garis besar bagian-bagian yang terdapat pada PLTGU adalah sebagai berikut :
1. Cranking Motor
Crangking Motor adalah motor yang digunakkan sebagai penggerak awal saat turbin belum menghasilkan tenaga penggerak generator ataupun compressor.
Motor Crangking mendapatkan suplai listrik yang berasal dari jaringan tegangan tinggi 150 KV / 500 KV.
7Ibid. Hal : 5
7 2. Air Filter
Air Filter merupakan filter yang berfungsi untuk menyaring udara bebas agar udara yang mengalir menuju ke compressor merupakan udara yang bersih.
3. Compressor
Compressor sebagai penghisap udara luar, dengan terlebih dahulu melalui air filter. Compressor menghisap udara atmosfer dan menaikkan tekanannya menjadi beberapa kali lipat ( sampai 8 kali ) tekanan semula. Udara luar ini akan diubah menjadi udara automizing untuk sebagian kecil pembakaran dan sebagian besar sebagai pendingin turbin.
4. Combustion Chamber
Combustion chamber ( ruang bakar ) adalah ruang yang dipakai sebagai tempat pembakaran bahan bakar ( solar ) dan udara atomizing. Gas panas yang dihasilkan dari proses pembakaran di combustion chamber digunakan sebagai penggerak turbin gas.
5. Gas turbine
Gas Turbine adalah turbin yang berputar dengan menggunakan energi Gas panas yang dihasilkan dari combustion chamber. Hasil putaran dari turbin inilah yang akan diubah oleh generator untuk menghasilkan listrik.
6. Selector valve
Selector Valve merupakan valve yang berfungsi untuk mengatur gas buangan dari turbin gas, apakah akan dibuang langsung ke udara ataukah akan dialirkan menuju ke HRSG.
7. GTG (Gas Turbine Generator)
GTG (Gas Turbine Generator) berfungsi sebagai alat pembangkit listrik dengan menggunakan tenaga putaran yang dihasilkan dari turbin gas. Pada PLTGU, satu buah generator ini menghasilkan daya.
8 8. Steam Turbine
Steam Turbine ( Turbin Uap ) adalah turbin yang berputar dengan menggunakan energi uap. Uap ini diperoleh dari penguapan air yang berasal dari HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ).
9. STG (Steam Turbine Generator)
STG (Steam Turbine Generator) merupakan generator berfungsi sebagai alat pembangkit listrik dengan menggunakan tenaga putaran yang diperoleh dari turbin uap. Tenaga penggeraknya berasal dari uap kering yang dihasilkan oleh HRSG dengan putaran 3000 RPM, berpendingin hidrogen dan tegangan keluar 11,5 KV.
10. Heat Recovery Steam Generator
Heat Recovery Steam Generator (HRSG) adalah suatu komponen kesatuan antara turbin gas dan turbin uap pada sistem combine cycle power plant.yang digunakan sebagai tempat pemanasan bagi fluida yang digunakan untuk menggerakan steam turbine.
Gambar 2. 1 Bagian – bagian PLTGU
(www.elektronika-listrik.blogspot.com)
9 2.1.2 Alat – alat bantu pada PLTGU7
Ada beberapa alat bantu yang digunakan untuk menunjang kinerja dari sebuah pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU) diantaranya adalah sebagai berikut:
1. Alat Bantu pada HRSG
HRSG atau ketel uap adalah suatu alat yang digunakan untuk memproduksi uap dengan tekanan dan temperature tertentu. Uap yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan turbin uap sehingga dari turbin uap tersebut akan didapatkan energi mekanis. Selanjutnya, energi mekanis ini akan diubah menjadi energi listrik didalam generator .Adapun HRSG sendiri mempunyai alat-alat bantu seperti berikut :
a. Economizer
Economizer adalah alat yang digunakan untuk memanaskan air pengisi ketel dengan media pemanas energi kalor yang terkandung didalam gas bekas. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan air pengisi ketel yang suhunya tidak jauh berbeda dengan air yang terdapat pada boiler drum, serta untuk menaikkan efisiensi boiler dan didalam economizer ini merupakan pemanasan awal.
b. Drum Uap / Steam Drum
Steam drum adalah alat yang digunakan untuk memisahkan bagian air, uap basah dan uap kering karena didalam boiler terjadi pemanasan bertingkat.
Setiap unit boiler dilengkapi oleh sebuah steam drum dan dipasang pada bagian atas dari boiler.
c. Evaporator
Evaporator adalah alat yang digunakan sebagai pemanasan lanjutan dari economizer dimana air yang telah melakukan pemanasan awal akan di panaskan kembali sehingga menghasilkan uap basah.
7Ibid. hal : 5
10 d. Super Heater.
Uap yang dihasilkan boiler drum ada yang masih berupa uap basah , dan untuk mendapatkan uap yang betul-betul kering. Uap basah yang berasal dari boiler drum perlu dipanaskan lagi pada super heater sehingga uap kering yang dihasilkkan naik ke steam drum dan memutar sudu – sudu turbin uap. Setiap boiler biasanya dilengkapi dengan dua buah super heater yaitu primary dan secondary super heater yang dipasang pada bagian atas dari ruang pembakarn (furnace).
e. Desuper Heater
Desuper Heater merupakan spray water yang digunakan untuk mengatur temperatur uap yang dialirkan ke turbin. Alat sudah dibuat sedemikian rupa sehingga bila temperatur uap melebihi ketentuan, maka desuper heater ini akan menyemprotkan air yang berasal dari discharge boiler feed pump sampai temperaturnya normal kembali.
f. Soot Blower
Soot Blower merupakan alat pembersih pipa di dalam boiler yang diakibatkan menempelnya sisa-sisa pembakaran, dengan media pembersih auxiliary steam.
g. Boiler Feed Pump ( BFP )
Boiler Feed Pump merupakan pompa pengisi air boiler. Pompa tersebut memompakan deaerator storage tank ke boiler.
2. Alat-alat bantu pada Turbin a. Condensor
Condensor dibuat dari sejumlah pipa – pipa kecil yang mana air dari sumber sebagai media pendingin dapat mengalir melalui pipa – pipa tersebut.
Sedangkan uap bekas yang keluar dari turbin akan memasuki sela – sela pipa kondensor sehingga terjadilah perpindahan panas dari uap ke air yang selanjutnya akan terjadi pengembunan dan kondensasi uap. Uap yang sudah berubah menjadi
11
air didalam kondensor ditampung didalam hot well. Fungsi dari condensor adalah sebagai berikut :
1. Menaikkan efisiensi turbin, karena dengan mengusahakan vacuum didalam kondensor uap bekas dari turbin akan segera dapat keluar dan tidak memberikan reaksi tekanan terhadap putaran turbin.
2. Untuk mengembunkan uap bekas dari turbin dengan media pendingin air laut yang mengalir melalui pipa-pipa kecil didalam kondensor sehingga air kondensasi tersebut dapat dijadikan sebagai air pengisi ketel.
b. Condensate Pump
Setelah air kondensasi terkumpul pada hot well, maka air tersebut dipompakan oleh condensate pump ke daerator tank dengan melalui heater.
c. Low Pressure Heater
Alat ini berguna untuk memanaskan air condensate yang berasal dari hot well, sebelum dimasukkan ke daerator tank. Konstruksi pemanasan ini terdiri dari pipa-pipa air yang dilalui oleh air condensat dan pada bagian luarnya dipanasi dengan uap yang diambilkan dari extraction steam dari turbin.
d. Auxiliary Cooling Water Pump
Pompa ini berfungsi untuk mensirkulasikan air pendingin yang dibutuhkan untuk mendinginkan minyak pelumas dan gas hydrogen. Air pendingin yang disirkulasikan pleh pompa ini didinginkan lagi oleh air laut didalam auxillary cooling water heat exchanger.
e. High Pressure Heater
Alat ini berguna untuk memanaskan air pengisi ketel yang berasal dari deaerator storage tank, yang selanjutnya akan dikirim ke ketel lewat economizer.
Konstruksi alat ini terdiri dari pipa-pipa air yang dilalui oleh air boiler feed dan bagian luarnya dipanasi dengan uap.
f. Daerator
Daerator adalah alat yang berfungsi untuk membuang O2 dan gas-gas lain yang terkandung dalam air kondensat, disamping itu juga berfungsi sebagai
12
pemanas air kondensat. Alat ini dikonstruksikan dari tray-tray yang berlapis- lapis sehingga memungkinkan untuk membuat partikel-partikel air condensate yang dimasukkannya. Dengan adanya air kondensat yang sudah menjadi partikel- partikel tersebut serta adanya uap ekstraksi yang disemprotkan, maka akan memungkinkan O2 dan gas-gas lainnya yang terkandung didalamnya akan terlepas dan dibuang ke atmosfir.
g. Air Ejector
Air Ejector adalah suatu alat yang dikonstruksikan dari sebuah nozzle sehingga bilamana dialiri uap akan dapat menarik udara dan gas-gas yang tidak dapat mengembun didalam kondensor sehingga kondensor akan menjadi vacuum. Dengan adanya kevakuman pada kondensor maka akan dapat menaikkan efisiensi dari turbin. Alat ini ada dua macam yaitu :
1. Primming Ejector
Primming Ejector digunakan pada saat start up, kemudian bila kemampuannya sudah mencapai batas maka penarikan vacuum dilakukan oleh alat lain.
2. Air Ejector
Air Ejector digunakan untuk menarik kevakuman setelah melalui alat primming ejector.
2.1.3 Prinsip Kerja PLTGU
Dalam operasinya, unit turbin gas dapat dioperasikan terlebih dahulu untuk menghasilkan daya listrik sementara gas buangnya berproses untuk menghasilkan uap dalam ketel pemanfaat gas buang. Kira-kira 6 (enam) jam kemudian, setelah uap dalam ketel uap cukup banyak, uap dialirkan ke turbin uap untuk menghasilkan daya listrik. Secara umum sistem produksi tenaga listrik pada PLTG/U dibagi menjadi dua siklus, yaitu sebagai berikut :
1. Siklus Terbuka (Open Cycle)
Siklus Terbuka merupakan proses produksi listrik pada PLTGU dimana gas buangan dari turbin gas langsung dibuang ke udara melalui cerobong saluran
13
keluaran. Suhu gas buangan di cerobong saluran keluaran ini mencapai 550°C.
Proses seperti ini pada PLTGU dapat disebut sebagai proses pembangkitan listrik turbin gas yaitu suatu proses pembangkitan listrik yang dihasilkan oleh putaran turbin gas.
2. Siklus Tertutup (Closed Cycle)
Jika pada Siklus Terbuka gas buang dari turbin gas langsung dibuang melalui cerobong saluran keluaran, maka pada proses Siklus Tertutup, gas buang dari turbin gas akan dimanfaatkan terlebih dahulu untuk memasak air yang berada di HRSG (Heat Recovery Steam Generator). Kemudian uap yang dihasilkan dari HRSG tersebut akan digunakan untuk memutar turbin uap agar dapat menghasilkan listrik setelah terlebih dahulu memutar generator. Jadi proses Siklus Tertutup inilah yang disebut sebagai proses Pembangkitan Listrik Tenaga Gas Uap yaitu proses pembangkitan listrik yang dihasilkan oleh putaran turbin gas dan turbin uap. Daya listrik yang dihasilkan pada proses Siklus Terbuka tentu lebih kecil dibandingkan dengan daya listrik yang dihasilkan pada proses produksi listrik Siklus Tertutup. Pada prakteknya, kedua siklus diatas disesuaikan dengan kebutuhan listrik masyarakat. Misalnya hanya diinginkan Siklus Terbuka karena pasokan daya dari Siklus Terbuka sudah memenuhi kebutuhan listrik masyarakat.
Sehingga damper (stack holder) yang membatasi antara cerobong gas dan HRSG dibuat close, dengan demikian gas buang dialirkan ke udara melalui cerobong saluran keluaran. Dan apabila dengan Siklus Terbuka kebutuhan listrik masyarakat belum tercukupi maka diambil langkah untuk menerapkan Siklus Tertutup. Namun demikian dalam sistem mekanik elektrik, suatu mesin akan lebih baik pada kondisi selalu beroperasi, karena apabila mesin berhenti akan banyak mengakibatkan korosi, perubahan pengaturan (setting), mur atau baut yang mulai kendur dan sebagainya. Selain itu dengan selalu beroperasi lebih mengefektifkan daya, sehingga daya yang dihasilkan menjadi lebih besar. Jadi secara garis besar untuk produksi listrik di Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap dibagi menjadi 2 proses yaitu Proses Pembangkitan Listrik Turbin Gas dan Proses Pembangkitan Listrik Turbin Uap
14
Gambar 2. 2 Open dan Close Cycle Gas Turbin
( Sumber : www.reasechgate.net)
2.2 Generator3
Generator adalah sebuah mesin yang dapat mengubah energi gerak (mekanik) menjadi energi listrik (elektrik). Generator bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik, proses ini dikenal sebagai pembangkitan energi listrik.
Walaupun generator dann motor mempunyai banyak kesamaan, tetapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Sumber energy mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesian gas, uap ,air dan lain-lain.
Sebelum hubungan antara magnet dan listrik ditemukan, generator menggunakan prinsip elektrostatik yaitu cabang ilmu fisika yang berkaitan dengan gaya yang dikeluarkan oleh medan listrik statik (tidak berubah / bergerak) terhadap objek bermuatan yang lain. Generator mempunyai dua komponen utama, yaitu bagian yang diam (stator) dan bagian yang begerak (rotor). Rotor adalah bagian yang berputar yang memiliki beberapa bagian, yaitu poros, inti, kumparan, cincin geser, dan sikat-sikat. Stator adalah bagian yang tak berputar (diam) yang mempunyai beberapa bagian yaitu, rangka stator yang merupakan salah satu bagian utama dari generator yang terbuat dari besi tuang dan ini merupakan rumah dari semua bagian generator, kutub utama besrta belitannya, kutub-kutub pembantu beserta belitannya, dan bantalan-bantalan poros.
3 Juhari. 2013. Generator semester 3. Jakarta.Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia
15
Gambar 2. 3 Generator
( Sumber : www.wideenginering.co.ok)
2.3 Generator Sinkron3
Kontruksi dari mesin sinkron baik sebagai generator maupun sebagai motor adalah sama, perbedaannya hanya pada prinsip kerjanya. Sebagaimana pada generator arus searah, belitan (kumparan) jangkar ditempatkan pada rotor sedangkan belitan medan ditempatkan pada stator, demikian pula untuk generator sinkron untuk kapasitas kecil. Akan tetapi pada generator sinkron yang dipergunakan untuk pembangkitan dengan kapasitas besar, belitan atau kumparan jangkar ditempatkan pada stator sedangkan belitan medan ditempatkan pada rotor dengan alasan : Belitan jangkar lebih kompleks dari belitan medan sehingga lebih terjamin jika ditempatkan pada struktur yang diam. Lebih mudah mengisolasi dan melindungi belitan jangkar terhadap tegangan yang tinggi. Pendinginan belitan jangkar mudah karena inti stator yang terbuat cukup besar sehingga dapat didinginkan dengan udara paksa. Belitan medan mempunyai tegangan rendah sehingga efisien bila digunakan pada kecepatan tinggi. Prinsip kerja generator sinkron berdasarkan induksi elektromegnetik. Setelah rotor diputarkan oleh penggerak mula (prime over) dengan demikian kutub-kutub yang ada pada rotor akan berputar. Jika kumparan kutub disuplai oleh tegangan searah maka pada permukaan kutub akan timbul medan magnit (garis- garis gaya magnit) yang berputar kecepatannya sama dengan putaran kutub. Berdasarkan Hukum Faraday apabila lilitan penghantar atau konduktor diputar memotong garis-garis gaya magnit yang diam atau lilitan yang diam dipotong oleh garis-garis gaya magnit yang berputar maka pada penghantar tersebut timbul EMF (Electro Motive Force)
3 Ibid. hal 14
16
atau GGL (Gaya Gerak Listrik) atau tegangan induksi. Ggl yang dibangkitkan pada penghantar jangkar adalah tegangan bolak- balik, Arus yang mengalir pada penghantar jangkar karena beban tersebut akan membangkitkan medan yang berlawanan atau mengurangi medan utama sehingga tegangan terminal turun, hal ini disebut reaksi jangkar.
Gambar 2. 4 GGL yang dibangkitkan
( Sumber : https://belajar.kemdikbud.go.id/SumberBelajar/)
Dalam menentukan arah arus dan tegangan (Ggl atau EMF) yang timbul pada penghantar pada setiap detik berlaku Hukum tangan kanan Fleming perhatikan gambar 2.5 berikut :
Gambar 2. 5 Kaidah Tangan Kanan Fleming
( Sumber : https://rendemen.wordpress.com/2011/11/24/generator/ )
Dimana :
1. Jempol menyatakan arah gerak F atau perputaran penghantar.
2. Jari telunjuk menyatakan arah medan magnit dari kutub utara ke kutub selatan.
3. Jari tengah menyatakan arah arus dan tegangan.
17
Ketiga arah tersebut saling tegak lurus seperti yang diperlihatkan pada gambar diatas. Garis-garis gaya magnit yang berputar tersebut akan memotong kumparan jangkar yang ada pada stator sehingga pada kumparan jangkar tersebut timbul ggl (gaya gerak listrik) atau emf (electro motive force) atau tegangan induksi. Frekuensi tegangan induksi tersebut akan mengikuti persamaan sebagai berikut :
ƒ = 𝑝×𝑛 (𝐻𝑧)...(2.1)3
120
Dimana:
p = banyaknya kutub.
n = kecepatan putar (rpm).
Oleh karenanya frekuensi dari tegangan induksi tersebut di Indonesia sudah tertebtu ialah 50HZ dan jumlah selalu genap maka putaran rotor, putaran kutub, putaran penggerak mula sudah tertentu pula. Besarnya tegangan induksi yang dibangkitkan pada kumparan jangkar yang ada pada stator akan mengikuti persamaan sebagai berikut:
𝐸 = 4.44 𝑘 ƒ Ø………...(2.2)3 2.3.1 Konstruksi Generator Sinkron
Konstruksi mesin sinkron baik untuk generator maupun untuk motor terdiri dari:
1. Stator adalah bagian yang diam dan berbentuk silinder.
2. Rotor adalah bagian yang berputar juga berbentuk silinder.
3. Celah udara adalah ruangan antara stator dan rotor 2.3.2 Konstruksi Stator
Kotruksi stator seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.6, terdiri dari : 1. Kerangka terbuat dari besi tuang untuk menyangga inti jangkar.
2. Inti jangkar terbuat dari besi lunak (baja silikon).
3 Ibid. Hal 14
3 Ibid. Hal 14
18
3. Alur (slot) untuk meletakan belitan (kumparan).
4. Belitan jangkar terbuat dari tembaga yang diletakan pada alur (slot).
Gambar 2. 6 Kerangka dan inti Stator Mesin Sinkron
( Sumber : Juhari. 2013. Generator. Hal: 7)
2.3.3 Konstruksi Rotor12
1. Kontruksi rotor terdiri dari dua jenis :
Jenis kutub menonjol (salient pole) untuk generator kecepatan rendah dan menengah. Kutub menonjol terdiri dati inti kutub dan sepatu kutub. Belitan medan dililitkan pada badan kutub, pada sepatu kutub juga dipasang belitan peredam (damper winding). Belitan kutub terbuat dari tembaga, sedangkan badan kutub dan sepatu kutub terbuat dari besi lunak. Jenis kutub silinder untuk generator dengan kecepatan tinggi terdiri dari alur-alur sebagai tempat kumparan medan.
Alur-alur tersebut terbagi atas pasangan-pasangan kutub. Kedua macam kutub tersebut seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.7 sebagai berikut :
Gambar 2. 7 Rotor jenis sailent dan silinder.
( Sumber : www.duniapembangkitlistrik.com )
12 Sumardjati Prih, Yahya sofian & Mashar Ali.2008.Teknik pemanfaatan tenaga listrik jilid 3.Jakarta: Kementrian pendidikan dan kebudayaan Republik Indonesia
19 2.3.4 Belitan Jangkar
Beliatan jangkar yang di tempatkan pada stator disebut sebagai belitan stator untuk sistem tiga phasa hubungannya terdiri dari :
1. Belitan satu lapis (single layer winding) bentuknya dua macam : a. Mata rantai (consentris/chain winding).
b. Gelombang (wave).
2. Belitan dua lapis (double layer winding) bentuknya dua macam : a. Gelombang (Wave).
b. Gelung (Lap).
Jenis-jenis belitan tersebut seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.8 berikut :
Gambar 2. 8 Rangkaian belitan jangkar
( Sumber : www.intidayaonline.com )
Generator besar menggunakan brushless exciters untuk mensuplai tegangana DC pada rotor. Terdiri dari generator AC kecil yang mempunyai kumparan medan magnit dipasang pada stator dan kumparan jangkar dipasang pada poros rotor. Output generator penguat (arus bolak-balik tiga phasa) yang dirubah menjadi tegangan searah dengan penyearah tiga phasa yang juga dipasang pada rotor. Tegangan searah DC dihubungkan ke rangkaian medan magnit utama.
Arus medan magnet generator utama dapat dikontrol oleh arus medan magnit generator penguat, yang berada pada stator.
20 2.4 Jumlah kutub
Menurut Kundur Prabha (1993), generator sinkron memiliki jumlah rotor yang berbeda kutub di atasnya yang belitan sedang digulung. Jumlah tiang tergantung pada kecepatan rotasi dan frekuensi tegangan induksi yang kita ingin menghasilkan. Hubungan antara jumlah kutub dan frekuensi di medan induksi di rumuskan dengan :
f = ...(2.3)4 Dimana :
f = frekuensi tegangan[Hz]
p = jumlah kutub pada rotor n = kecepatan rotor [rpm]
2.5 Pembebanan generator
Pembebanan generator ada dua, yaitu generator tanpa beban dan generator berbeban.
2.5.1 Generator Tanpa Beban
Pada generator singkron keadaan jalan tanpa beban mengandung arti bahwa arus armature (Ia) = 0. Dengan demikian besar tegangan terminal adalah:
Vt = Ea = E0...(2.4)9 Oleh karena besar ggl armature adalah merupakan fungsi dari fluks magnit (persamaan 2.4) maka ggl armature dapat juga ditulis :
Ea = f (ϕ)...(2.5)9
4 Kundur Prabha. 1993 .Power System Stability and Control Hlm 47.California:Library of congress cataloging-in publication data
9 Sclater Neil. 2003.Electrical Design Details. United states:The Mcgraw-Hill Companies
21
Dari persamaan (2.5.), jika arus penguat medan diatur besarnya maka dikuti kenaikan fluks dan akhirnya juga pada ggl armature. Pengaturan arus penguat medan pada keadaan tertentu besarnya akan didapatkan besar ggl armature tanpa beban dalam keadaan saturasi. Secara grafik hubungan antara arus penguat medan (If) dan Ea terlukis pada gambar .
Gambar 2. 9 Generator singkron tanpa beban
( Sumber : http://www.upawenangs.co.id/ )
Dimana :
If = Arus kumparan medan/arus penguat Rf = Hambatan kumparan medan
Ra = Hambatan armature
XL = Reaktansi bocor (reaktansi armature) Vt = Tegangan output
Ea = Gaya gerak listrik armature 2.5.2 Generator berbeban8
Dengan adanya beban yang terpasang pada output generator singkron, maka segera mengalir arus armature (Ia); dengan adanya arus armature ini, pada kumparan armature atau kumparan jangkar timbul fluks putar jangkar. Fluks putar jangkat ini bersifat mengurangi atau menambah fluks putar yang dihasilkan oleh kumparan rotor. Hal ini tergantung pada faktor daya beban. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar
9Ibid. Hal 20
8 Rijono Yon.1997.Dasar teknik tenaga listrik.Yogyakarta:ISBN 9795334468
22
Gambar 2. 10 Pengaruh faktor daya beban terhdap fluks rotor
( Sumber : www.Catatan-teknik.com )
Untuk beda fase 0 sampai 90o, arus armature mendahului terhadap tegangan beban dan disebut faktor daya beban menengah mendahului, sedangkan untuk beda fasa 0 sampai 90o, arus armature tertinggal terhadap tegangan beban dan disebut faktor daya beban menengah tertinggal.Pada faktor daya beban menengah mendahului, fluks armature yang timbul fasenya agak bergeser ke kanan terhadap fluks putar rotor. Sehingga pada kejadian ini terjadi proses dimagetisasi sebagai dan bentuk sinyal GGL armature yang dihasilkan ada cacat armature. Dengan adanya fluks putar armature akibat timbulnya arus armature, maka pada kumparan timbul reaktansi pemagnit Xm, reaktansi pemagnit bersama- sama dengan reaktansi bocor dikenal dengan nama reaktansi singkron Xs dan secara matematis ditulis :
Xs = XL + Xm ……….(2.6)
Pada generator singkron berbeban, maka pada kumparan armature timbul Ia dan Xm akibatnya timbul penurunan GGL armature tanpa beban. E0 menjadi Ea
= E0-j Ia Xm dan tegangan terminalnya menjadi (Vt)bp. GGL armature tanpa beban (E0) besarnya adalah :
E0/ph = Vt + Ia (Ra+jXs)……… ………(2.7) atau
E0/ph = Vt + Ia + Zs……….(2.8)
23 2.6 Rugi – rugi generator sinkron5
Rugi-rugi generator listrik sebagian dapat ditemukan dengan cara konvensional yaitu dengan percobaan beban nol dan percobaan block rotor.
Percobaan beban nol dapat menentukan rugi – rugi rotasi generator. Pada keadaan beban nol, seluruh daya listrik input generator digunakan untuk mengatasi rugi – rugi inti dan rugi – rugi mekanik. Dalam sistem konversi energi elektro mekanik yakni dalam operasi generator, total daya yang diterima sama dengan daya yang diberikan, ditambah dengan kerugian daya yang diberikan, ditambah dengan kerugian daya yang terjadi, atau :
Pin = Pout + Prugi-rugi……….(2.9) Atau
Prugi-rugi = I2 X R……….………..(2.10) Dimana :
Pin : Total daya yang diterima motor
Pout : Daya yang diterima generator untuk melakukan kerja P rugi-rugi : Total kerugian daya yang dihasilkan oleh generator.
Tabel 2. 1 Jenis Rugi - Rugi Generator
Jenis Rugi-rugi Persentase rugi-rugi total (%) Rugi-rugi tetap atau rugi-rugi inti 25
Rugi-rugi variabel: rugi-rugi pada stator 34 Rugi-rugi variabel: rugi-rugi pada rotor 21
Rugi-rugi gesekan 15
Rugi-rugi beban menyimpang (stray load)
5
5 Linsley Trevor. 2004.Instalasi Listrik Tingkat Lanjut. Jakarta:Erlangga
24 2.6.1 Rugi – rugi inti
Rugi-rugi inti terjadi di dalam jangkar generator arus searah yang disebabkan oleh perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutub dari kumparan medan. Rugi – rugi inti diperoleh pada besi magnetis didalam stator dan rotor akibat timbulnya efek histeris dan arus pusar (eddy current). Timbulnya rugi – rugi inti, ketika besi jangkar atau struktur rotor mengalami perubahan fluks terhadap waktu. Rugi – Rugi ini tidak tergantung pada beban, tetapi merupakan fungsi dari pada fluks dan kecepatan generator. Pada umumnya rugi – rugi inti berkisar antara 20 – 25% dari total kerugian daya generator pada keadaan nominal. Rugi- rugi arus eddy tergantung pada kuadrat dari kerapatan fluks dan frekuensi. Pada keadaan mesin normal besarnya dapat didekati dengan :
Pc = Kc(BmaksfT)...………..(2.11) Dimana :
Pc = Rugi –rugi arus eddy Bmaks = Kerapatan fluks maksimum
ƒ = Frekuensi
Kc = Ketetapan pembanding T = Tebal lapisan
Harga tergantung pada satuan yang digunakan, volume besi dan resistensivitas besi. Ragam dari rugi – rugi histerisis dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan secara empiris saja. Persamaan yang banyak dipergunakan adalah :
Ph = KhƒBmaks………..………(2.12) Pada mesin induksi, rugi-rugi intinya terdapat di stator dan rotor hampir boleh diabaikan karena frekuensi di rotor relatif kecil. Jadi total rugi rugi inti dalah sebagai berikut :
Pi = Ph + Pi……….………..(2.13) atau
Pi = Prugi – rugi x 0,25……….(2.14)
25 2.6.2 Rugi – rugi belitan
Rugi-rugi belitan sering disebut rugi – rugi mempunyai belitan stator dari kawat alumunium yang lebih tepat disebut rugi – rugi I2 R yang menunjukkan besarnya daya yang berubah menjadi panas oleh tahanan dari konduktor tembaga atau aluminium. Total kerugian I2 R adalah jumlah dari rugi – rugi I2 R primer (stator) dan rugi – rugi I2 R sekunder (rotor). Rugi – rugi I2 R dalam belitan sebenarnya tidak hanya tergantung pada arus, tetapi juga pada tahanan belitan di bawah kondisi operasi. Sedang tahanan efektif dari belitan selalu berubah dengan perubahan temperatur, skin effect dan sebagainya. Sangat sulit untuk menentukan nilai yang sebenarnya dari tahanan belitan dibawah kondisi operasi. Kesalahan pengukuran kerugian belitan dapat dimasukkan ke dalam kerugian stray load.
Pada umumnya rugi – rugi belitan ini berkisar antara 55 - 60% dari total kerugian generator pada keadaan beban nominal.
Pb = Prugi – rugi x 0,55……….(2.15) 2.6.3 Rugi - Rugi Mekanik
Rugi-rugi gesekan dan angin adalah energi mekanik yang dipakai dalam motor listrik untuk menanggulangi gesekan batalan poros, gesekan sikat melawan komutator atau slip ring, gesekan dari bagain yang berputar terhadap angin, terutama pada daun kipas pendingin. Kerugian energi ini selalu berubah menjadi panas berubah menjadi panas seperti pada semua rugi – rugi lainnya. Rugi – rugi mekanik dianggap konstan dari beban nol hingga beban penuh dan ini adalah masuk akal tetapi tidak sepenuhnya tepat seperti halnya pada rugi – rugi inti.
Macam –macam ketidak tepatan ini dapat dihitung dalam rugi – rugi stray load.
Rugi – rugi mekanik biasanya berkisar antara 10 – 15% dari total rugi- rugi daya motor pada keadaan beban nominal.
Pm = P rugi-rugi x 0,1………….………..(2.16) 2.6.4 Rugi – rugi stray load
Kita telah melihat bahwa beberapa macam kerugian selalu dianggap konstan dari keadaan beban nol hingga beban penuh walaupun kita tahu bahwa
26
rugi – rugi tersebut sebenarnya berubah, secara kecil terhadap beban. Sebagai tambahan, kita tidak dapat menghitung berapa besar kerugian ini seperti yang diakibatkan oleh perubahan fluks terhadap beban, geometri konduktor sehingga arus terbagi sedikit tidak merata dalam konduktor bertambah, mengakibatkan pertambahan tahanan konduktor dan karena itu rugi – rugi konduktor harus bertambah. Dari semua kerugian yang relatif kecil ini, baik dari sumber yang di ketahui maupun yang tidak diketahui, disatukan menjadi rugi – rugi stray load yang cenderung bertambah besar apabila beban meningkat (berbanding kuadrat dengan arus beban). Pada umumnya kerugian ini berkisar 5 sampai 10% dari total kerugian daya generator pada keadaan beban penuh dan saat keadaan beban nominal 1 sampai 5%.
Ps = Prugi – rugi x 0,05………..(2.17) Tabel 2. 2 Persentase Rugi – Rugi Stray Load2
Machine Rating KW Stray Load Loss Percent of Rated Load
1 - 90 1.8%
91 – 375 1.5%
376 – 1850 1.2%
1851 and greater 0.9%
2.7 Faktor daya13
Daya adalah hasil dari nilai nilai-nilai rms dari tegangan dan arus, sedangkan daya aktif kurang dari daya nyata dengan faktor tertentu. Faktor ini sama dengan rasio dari daya aktif untuk daya nyata, di sebut faktor daya sirkuit, untuk voltage sinusoidal dan gelombang saat ini, dengan diperlihatkan persamaan 2.18 :
...(2.18)
2 IEEE Std –.2004.IEE Standard test procedure for polyphase induction motors and generators.New York: NY 10016-5997.USA
13 VN Mittle, Arvind. 2008 . Basic Electrical Enginering.. Uruguay : Mittle publisher-Mcgraw Hill edition
27
Maka, di sirkuit yang bentuk gelombang mengikuti hukum sinus, faktor daya adalah cosines dan sudut antara tegangan dan arus yang dihasilkan mengalir dalam sirkuit. Faktor daya di sebut tertinggal ketika arus terlambat terhadap tegangan yang diberikan dan memimpin saat arus mengarah tegangan. Dengan demikian, untuk pertimbangan faktor daya, tegangan yang diberikan selalu di anggap sebangai kualitas referensi.
………..(2.19)
Atau,
…...(2.20) Faktor daya untuk rangkaian induktif selalu tertinggal padaha selalu memimpin untuk sicuit kapasitif.
2.8 Efisiensi Generator12
Pada umumnya yang disebut dengan efisiensi generator adalah perbandingan antara daya output dengan daya input. Seperti halnya dengan mesin- mesin listrik lainnya, maupun transformator, maka efisiensi generator sinkron dapat dituliskan seperti Persamaan
………(2.21) Dari persamaan diatas, perlu dipelajari faktor – faktor yang menyebabkan efesiensi selalu dibawah 100%. Untuk itu perlu diketahui kerugian daya apa saja yang timbul selama generator beroperasi.
1. Kerugian belitan dalam generator yang dinamakan rugi-rugi listrik.
2. Kerugian daya yang timbul langsung karena putaran generator, yang dinamakan rugi-rugi rotasi. Rugi- rugi rotasi ini terbagi menjadi dua jenis yaitu :
12 Sumardjati Prih.2008.Teknik Pemanfaatan tenaga listrik jilid 3.Jakarta: Kementrian pendidikan dan kebudayaan ISBN 978-976-060-096-6
28 a. Rugi mekanis akibat putaran.
b. Rugi inti besi akibat kecepatan putaran dan Fluks medan.
2.9 Jenis – Jenis Beban
Dalam suatu rangkaian listrik selalu dijumpai suatu sumber dan beban.
Bila sumber listrik DC, maka sifat beban hanya bersifat resistif murni, karena frekuensi sumber DC adalah nol. Reaktansi induktif (XL) akan menjadi nol yang berarti bahwa induktor tersebut akan short circuit. Reaktansi kapasitif (XC) akan menjadi tak berhingga yang berarti bahwa kapasitif tersebut open circuit. Jadi sumber DC akan mengakibatkan beban – beban induktif dan beban kapasitif tidak akan berpengaruh pada rangkaian. Bila sumber listrik AC maka beban dibedakan menjadi 3 sebagai berikut :
1. Beban Resistif (R) 2. Beban Induktif (L) 3. Beban Kapasitif (C) 2.13.1 Beban Resistif (R)
Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan Ohm saja (resistance), seperti elemen pemanas (heating element) dan lampu pijar.
Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan arus sefasa.
2.13.2 Beban Induktif
Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparat kawat yang dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan solenoida. Beban ini dapat mengakibatkan pergeseran fasa (phase shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal ini disebabkan oleh energi yang tersimpan berupa medan magnetis akan mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan.
Beban jenis ini menyerap daya aktif dan daya reaktif.
2.13.3 Beban Kapasitif (C)
Beban kapasitif (C) yaitu beban yang memiliki kemampuan kapasitansi atau kemampuan untuk menyimpan energi yang berasal dari pengisian elektrik
29
(electrical discharge) pada suatu sirkuit. Komponen ini dapat menyebabkan arus leading terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan mengeluarkan daya reaktif.
Z = √ ...(2.22)14 Dimana:
Z = Impedansi (Ω)
V= Tegangan Sumber (Volt) I = Arus (ampere)
√ = Menunjukan 3 phasa
R = Z” x cos ϕ ...(2.23)12 2.10 MATLAB
MATLAB merupakan kependekan dari MATrix LABoratory dikarenakan setiap data pada MATLAB menggunakan dasar matriks. MATLAB adalah bahasa pemrograman tinggi, tertutup, dan case sensitive dalam lingkungan komputasi numerik yang dikembangkan oleh MathWorks. Salah satu kelebihannya yang paling populer adalah kemampuan membuat grafik dengan visualisasi terbaik.
MATLAB mempunyai banyak tools yang dapat membantu berbagai disiplin ilmu.
Ini merupakan salah satu penyebab industri menggunakan MATLAB. Selain itu MATLAB mempunyai banyak library yang sangat membantu untuk menyelesaikan permasalahan matematika seperti membuat simulasi fungsi, pemodelan matematika dan perancangan GUI.
Adapun bentuk pemograman dalam MATLAB salah satunya adalah file-m.
Pemrograman dalam matlab akan tidak efektif jika dilakukan langsung di jendela kerja, karena fungsi pemrograman pada jendela kerja sangat terbatas. Oleh karena itu muncullah istilah file m. File m adalah tempat dimana kita dapat menuliskan
14Fisika Solusi. 2018. “ Pembahasan soal rangkaian listrik”.
https://www.solusifisika.com/2018/12/pembahasan-soal-rangkaian-rlc.html. Diakses pada tanggal 31 Juni 2021 pukul 19.00
12 Ibid Hal : 27
30
program kita sebelum dieksekusi pada jendela kerja. File m ini sendiri secara garis besar terbagi menjadi dua tipe file m, kedua tipe file m ini memiliki karakteristik yang berbeda pada masing-masing tipenya. Kedua jenis tipe file m tersebut adalah:
1. Script
Script dalam matlab adalah salah satu tipe dari file m. Variabel yang digunakan dalam script berlaku global,penamaan dalam script bebas(tidak ditentukan sesuai kebutuhan).
2. Function
Function dalam matlab adalah salah satu tipe dari file m yang paling banyak digunakan, karena hampir semua file m yang ada di matlab berbentuk function. Variabel dalam function berlaku local, function menerima nilai dan mengeluarkan nilai, dan penamaan function tidak boleh sembarangan harus sesuai dengan nama funnctionnya.
Matlab merupakan integrasi komputasi, visualisasi dan pemograman yang mudah digunakan. sehingga Matlab banyak digunakan sebagai: a. Kalkulator, ketika bertindak sebagai kalkulator, memberikan hasil seketika setelah perintah operasi diberikan. b. Bahasa Pemrograman dengan tingkat tinggi berbasis pada matriks sering digunakan untuk teknik komputasi numeric, yang digunakan untuk menyelesaikan masalah-masalah yang meibatkan operasi matematika elemen, matrik, optimasi, aproksimasi dan lain-lain.
