7. BAB IV

BAB IV

BAB IV

SISTEM EKSITASI GENERATOR SINKRON

SISTEM EKSITASI GENERATOR SINKRON

4.1. Umum 4.1. Umum

Eksitasi pada generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan Eksitasi pada generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan medan yang terdapat pada rotor. Sesuai dengan prinsip elektomagnet yaitu apabila medan yang terdapat pada rotor. Sesuai dengan prinsip elektomagnet yaitu apabila suatu konduktor yang berupa kumparan yang dialiri listrik arus searah maka suatu konduktor yang berupa kumparan yang dialiri listrik arus searah maka kumparan tersebut akan menjadi magnet sehingga akan menghasilkan fluks

kumparan tersebut akan menjadi magnet sehingga akan menghasilkan fluks

 _– 

 _– 

 fluks fluks magnet. Apabila kumparan medan yang telah diberi eksitasi diputar dengan magnet. Apabila kumparan medan yang telah diberi eksitasi diputar dengan kecepatan tertentu, maka kumparan jangkar yang terdapat pada stator akan kecepatan tertentu, maka kumparan jangkar yang terdapat pada stator akan terinduksi oleh fluks

terinduksi oleh fluks

 _– 

 _– 

 fluks magnet yang dihasilkan oleh  fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan sehinggakumparan medan sehingga akan dihasilkan tegangan listrik bolak

akan dihasilkan tegangan listrik bolak

 _– 

 _– 

  balik. Besarnya tegangan yang dihasilkan  balik. Besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung kepada besarnya arus eksitasi dan putaran yang diberikan pada rotor. tergantung kepada besarnya arus eksitasi dan putaran yang diberikan pada rotor. Semakin besar arus eksitasi dari putaran, maka akan semakin besar tegangan yang Semakin besar arus eksitasi dari putaran, maka akan semakin besar tegangan yang akan dihasilkan oleh sebuah generator.

akan dihasilkan oleh sebuah generator.

Sistem eksitasi generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring Sistem eksitasi generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring dengan peningkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus dengan peningkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus medan yang diperlukan umtuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari medan yang diperlukan umtuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari sumber arus searah tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang sumber arus searah tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang  berputar, maka diperlukan

 berputar, maka diperlukan perancangan khusus untuk membentuk rangkaian perancangan khusus untuk membentuk rangkaian sumbersumber daya arus searah terhadap kumparan medan.

daya arus searah terhadap kumparan medan.

Penggunaan slipring dan sikat, biasanya digunakan pada generator yang Penggunaan slipring dan sikat, biasanya digunakan pada generator yang  berkapasitas

 berkapasitas kecil. kecil. Slipring Slipring ini ini terbuat terbuat dari dari bahan bahan metal metal yang yang biasanya biasanya telahtelah terpasang pada poros mesin tetapi terisolasi dari poros tersebut. Dimana kedua ujung terpasang pada poros mesin tetapi terisolasi dari poros tersebut. Dimana kedua ujung  belitan medan pada rotor dihubungkan ke slipring tersebut. Dengan menghubungkan  belitan medan pada rotor dihubungkan ke slipring tersebut. Dengan menghubungkan terminal positif dan negatif dari sumber arus searah ke slipring melalui sikat, maka terminal positif dan negatif dari sumber arus searah ke slipring melalui sikat, maka  belitan

 belitan medan medan akan akan mendapatkan mendapatkan suplai suplai energi energi listrik listrik arus arus searah searah dari dari sumber sumber luar.luar. Penggunaan slipring dan sikat menimbulkan sedikit masalah ketika digunakan untuk Penggunaan slipring dan sikat menimbulkan sedikit masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber tegangan arus searah ke belitan medan pada generator sinkron, mensuplai sumber tegangan arus searah ke belitan medan pada generator sinkron,

karena penggunaan slipring dan sikat ini menambah biaya perawatan pada mesin. Selama pemakaian, sipring dan sikat ini harus diperiksa secara teratur. Bahkan dengan pemakaian slipring dan sikat ini menyebabkan rugi

 _– 

 rugi daya yang cukup  besar akibat adanya drop tegangan pada terminal sikat, terutama pada mesin yang arus medannya cukup besar. Oleh karena itu untuk mengatasi masalah ini maka digunakan penguatan statis.

Untuk generator berkapasitas besar, penguat tanpa sikat digunakan untuk mensuplai arus searah ke belitan medan yang ada pada rotor mesin. Penguat tanpa sikat ini merupakan sebuah generator kecil dimana rangkaian medannya berada di stator, sedangkan jangkarnya berada di rotor. Daya keuaran tiga fasa dari generator  penguat ini disearahkan oleh penyearah untuk mendapatkan sumber arus searah.

4.2. Jenis

 _– 

 Jenis Sistem Eksitasi

Eksitasi adalah pemberian arus listrik pada kutub magnetic. Dengan mengatur besar kecilnya arus listrik tersebut,kita dapat mengatur besar tegangan output atau mengatur besar daya reaktif (Var) yang diinginkan pada generator yang sedang paralel dengan sistem jaringan besar ( Infinite bus).

Secara umum, sistem Exsitasi dibagi menjadi 3 jenis, 1 Eksitasi Statik

2 Eksitasi Dinamik 3 Brushless Excitation

4.2.1 Sistem Eksitasi Statik

Sistem eksitasi statis mengunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak (static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan rotor generator sinkron.

Sistem eksitasi statis atau disebut juga dalam self excitation merupakan sistem eksitsi yang tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron. Sumber eksitasi pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan

output generator itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan  penyearah thyristor.

Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, magnet sisa ini akan menimbulkan tegangan pada stator, tegangan ini kemudian masuk dalam penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang dihasilkan makin besar dan tegangan AC akan naik demikian seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu juga mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan. Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR.

Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan sistem eksitasi statis ini memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada penggerak utama dihilangkan. Eksiter diganti dengan eksiter yang tiak berputar yaitu penyearah karena itu disebut eksiter statis.

Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini menyebabkan sistem eksitasi ini tidak efisien dan efektif.

4.2.2 Sistem Eksitasi Dinamik

Sistem Eksitasi Dinamik adalah sistem eksitasi yang disuplai dari eksiter yang merupakan mesin bergerak. Eksiternya merupakan generator DC atau dapat juga menggunakan generator AC yang kemudian disearahkan dengan Rectifier.Urutan nya Eksitasi dinamik yaitu :

 PMG (Permanen magnet generator), mengghasilkan arus AC (Pilot Exciter) yang disearahkan dengan Rectifier pada stator AC exsiter

 Kemudian arus keluaran pada generator AC eksiter di searahkan menggunakan rotating rectifier

 Hasilnya digunakan untuk memberikan arus eksitasi pada Generator Utama

 Jika tegangan sudah mencapai nilai yang diinginkan, dan untuk menjaga tegangan agar berada pada nilai nominalnya, maka sistim menggunakan AVR (Automatic Voltage Regulator), yang digunakan untuk memerintahkan PMG menaikkan atau menurunkan arus eksitasinya.

4.2.3. Brushless Excitation

Brushless Excitation Adalah sistem eksitasi tanpa sikat, yang maksudnya adalah pada sistem tersebut untuk menyalurkan arus eksitasi ke rotor generator utama, maupun untuk eksitasi eksiter tanpa melalui media sikat arang. Adapun diagram prinsip kerjanya adalah sebagai berikut

Gambar 4.3 Brushless Excitation

 Pada gambar diatas dapat kita lihat bahwa untuk eksitasi generator disuplai dari generator AC eksiter dengan melalui penyearah (rectifier wheel) yang terpasang pada poros, sehingga arus eksitasi langsung terhubung dengan rotor generator

 Eksitasi untuk Exciter disuplai dari pilot exciter(Generator arus bolak- balik) dengan kemagnitan tetap atau biasa disebut PMG  (Permanent

Magnet Generator)

 Output dari pilot eksiter tersebut adalah arus bolak balik 3 phasa yang disearahkan melalui penyearah arus

 Oleh regulator arus eksitasi eksiter diatur besar kecilnya, sehingga dengan mengatur eksitasi eksiter, maka tegangan output generator utama akan mengalami perubahan secara langsung.

4.3. Bagian

 _– 

 Bagian Sistem Eksitasi Pada Generator PLTU Pangkalan Susu

Bagian utama dari sistem eksitasi pada PLTU Pangkalan Susu ini adalah : 1. De

 _– 

 excitation dan Field Flashing

Peralatan de

 _– 

  excitation berguna melindungi rotor dari arus medan  balik pada saat generator berhenti beroperasi. Jika peralatan de

 _– 

  excitation

tidak ada, medan listrik yang tersimpan pada rotor dan merusak sistem eksitasi itu sendiri. Peralatan de

 _– 

  excitation terdiri dari thyristor yang  berfungsi sebagai saklar dan resistor yang disebut FDR (Field Discharge Resistor) yang berfungsi menghindari terjadinya hubungan antara sistem grounding. Rangkaian thyristor dan resistor itu disebut sebagai cowbar.

Gambar 4.5 Field Discharge PLTU Pangkalan Susu

Sementara bagian Field Flashing berfungsi sebagai sumber eksitasi awal bagi generator sinkron karena belum adanya tegangan yang dihasilkan

auxilary network. Jika sumber diambil batery, maka diberikan resitor untuk membatasi arus aksitasi yang mengalir menuju belitan rotor. Jika sumber diambil dari auxilary network, yang berupa sumber tegangan AC, maka dibutuhlan transformator untuk menurunkan tegangan dan kemudian disalurkan ke rangkaian penyearah untuk diperoleh sumber DC. Field flashing hanya bekerja pada saat generator mulai dioperasikan sampai tegangan generator mencapai 70% dari tegangan nominal.

2. Excitation Transformer

Adapun spesifikasi dari excitation transformer yang digunakan pada PLTU Pangkalan Susu ini ditunjukkan pada data berikut ini :

Merk = Hainan

3000 kVA Dry Transformer 15,75 kV / 0,85 kV 5 tap offload Z = 8 % Yd11 posisi tap = 3 CT sisi 15,75 kV = 200 / 1 A CT sisi 0,85 kV = 3000 / 1 A

Fungsi dari excitation transformer adalah :

 Menurunkan tegangan masukan pada belitan rotor dari generator hingga pada tingkat dibutuhkan oleh konverter.

 Membatasi besar arus yang masuk untuk menghindari terjadinya lonjakan arus yang terlalu tinggi apabila terjadi hubung singkat.

 Memberikanisolasi galvanis antara terminal generator dan belitan medan.

 Sebagai commutation reactance untuk thyristor.

Tegangan pada sisi primer dari eksitasi transformer adalah sebesar 15,75 kV atau sebesar tegangan dari generator itu sendiri. Sementara tegangan dari sisi sekunder eksitasi transformer adalah 0,85 kV.

3. Automatic Voltage Regulation

Automatic Voltage Regulator (AVR) memiliki prinsip kerja sebagai  pengatur tegangan secara otomatis pada generator sinkron. Pengatur tegangan yang dimaksud adalah mampu memberikan tegangan output yang relative konstan, sementara itu tegangan input dan beban berubah

 _– 

 ubah dari waktu ke waktu.

Automatic voltage regulation atau AVR memiliki fungsi sebagai berikut :  Menjaga tegangan generator dalam keadaan konstan.

 Mengatasi efek daya reaktif

 Menjaga dan membatasi frekuensi, faktor daya, dan daya siste m.

 Membatasi arus eksitasi maksimum

Secara umum AVR terdiri dari beberapa bagian penting, diantaranya : a. Static voltage stabilizer

Sebagian besar pengatur tegangan memiliki transformator yang memiliki bermacam

 _– 

  macam tap dan rangkaian control yang  berfungsi untuk mengontrol input supply dan output transformator.  b. Servo voltage regulator

c. AC voltage control

Pada bagian ini terdapat sebuah thyristor yang berfungsi untuk  pengatur nilai tegangan AC yang digunakan.

d. On

 _– 

 off control

Berfungsi untuk pengatur on

 _– 

 off pada rangkaian thyristor e. Phase control

Berfungsi sebagai pengatur sudut penyalaan pada thyristor f. DC drives

Sebagai pengatur AC

 _– 

  DC converter yang dapat digunakan untuk memperbaiki faktor daya.

Automatic Voltage Regulator (AVR) terdiri dari dua bagian utama, yaitu bagian utama, yaitu bagian pengukuran (measuring unit) dan bagian regulator/pengatur (regulating unit). Fungsi unit pengukuran adalah untuk mendeteksi perubahan pada tegangan input atau output AVR dan menghasilkan sinyal untuk mengoperasikan bagian pengatur (regulating unit). Sedangkan tujuan dari unit pengatur (regulating unit) adalah untuk menentukan sinyal minimum dari bagian pengukuran seperti cara memperbaiki tegangan output dari regulator untuk ditetapkan nilainya.

Automatic voltage regulator (AVR) dirancang untuk mengontrol system eksitasi pada generator sinkron. AVR dihbungkan dengan belitan utama stator dan belitan medan eksitasi yang terangkai close loop yang  berfungsi untuk mengontol tegangan output. Pada desain ini, trigger untuk sinkronisasi berasal dari trafo isolasi dengan frekuensi 50 Hz dan berupa gelombang sinus murni. Sedangkan untuk menghasilkan sudut penyalaan SCR, dibutuhkan suatu comparator amplifier untuk membandingkan sinyal output dari output amplifier. Selama periode sudut penyalaan, rangkaian elektronik digabungkan dengan astable multivibrator yang berfungsi untuk memberikan gelombang yang dapat mengurangi losses switching pada thyristor. Dengan gelombang tersebut, rectifier yang tersusun atas SCR dapat digunakan mengontrol beban.

Gambar 4.7 AVR yang digunakan pada PLTU Pangkalan Susu

4. Rectifier

Rectifier pada proses eksitasi berfungsi untuk mengubah sumber AC menjadi sumber DC sehingga dapat dipergunakan sebagai sumber eksitasi. Pada eksitasi statis, rectifier menggunakan thyristor SCR untuk mengatur  besar arus eksitasi yang masuk melalui pengaturan terhadap sudut penyalaan

yang terdapat pada AVR.

SCR atau singkatan dari Silicon Controlled Rectifier adalah komponen penyearah yang mempunyai bagian pengontrol yang disebut Gate. Arus masuk pada gate menentukan tegangan anatara anoda dan katoda, dimana SCR mulai menghantarkan arus atau tidak pada setengah periode  positif sinyal masukan sinusoidal. SCR mengubah suplai tenaga AC menjadi suplai tenaga DC dan menyalurkannya ke rangkaian medan magnet generator. Sesuai dengan niali arus medan, beberapa penyearah jembatan  beroperasi secara paralel untuk membagi arus medan secara bersama. Ketika

satu jembatan keluar dari operasi, maka penyearah jembatan yang lain masih dapat menyediakan arus medan yang stabil untuk generator.

Gambar 4.8 Power Rectifier yang digunakan pada PLTU Pangkalan Susu

4.4. Sistem Eksitasi Pada Generator PLTU Pangkalan Susu

Sistem eksitasi yang digunakan pada PLTU Pangkaan Susu yaitu menggunakan eksitasi statik yang dilengkapi dengan brush, dengan memanfaatkan tegangan output dari generator yang kemudian di turunkan oleh transformer eksitasi dan di searahkan oleh  power rectifier sehingga tegangan yang masuk ke rotor generator berupa tegangan DC.

Besar tegangan yang masuk ke transformer eksitasi sebesar 15,75 KV yang kemudian diturunan menjadi 850 V namun masih dalam bentuk tegangan AC, kemudian untuk masuk ke rotor dari generator sinkron yang ada di PLTU Pangkalan

Susu disearahkan oleh rectifier yang terdiri dari beberapa SCR dan dioda sehingga  besar tegangan yang masuk ke dalam rotor sebesar 400 VDC, besarnya tegangan eksitasi yang masuk kedalam rotor bergantung pada besarnya tegangan yang disesuaikan dengan daya yang dibutuhkan.

Hal ini terjadi karena keadaan beban yang berubah setiap saat, untuk itu dibutuhkan AVR (Automatic Voltage Regulator) yang berfungsi menyesuaikan  besar tegangan yang masuk ke rectifier. Namun pada saat start

 _– 

 up generator belum menghasikan tegangan, sehingga untuk mendapatkan tegangan eksitasi, sumber tegangan eksitasi berasal dari Flash Transformer. Flash Transformer  berfungsi  bertugas menyuplai tegangan ke rectifier selama 8 (delapan) detik saat generator

sudah mencapai putaran ideal yaitu 3000 rpm.

Gambar 4.9 Kontrol Eksitasi PLTU Pangkalan Susu

Dari gambar di atas dapat dilihat jika tegangan keluaran generator kurang dari 15,75 kV maka pada excitation control kita tekan tombol increase dan kita tekan tombol decrease bila tegangan generator lebih dari 15,75 kV, untuk memperoleh tegangan keluaran generator 15,75 kV atau tegangan yang sinkron dengan sistem.