BAB III
SISTEM EKSITASI GENERATOR
3.1. Pengertian Generator
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal
sebagai pembangkit listrik. Generator arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Kumparan medan generator sinkron terletak pada rotornya sedangkan kumparan jangkarnya terletak pada stator.
Konstruksi generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu : stator, yakni bagian diam yang mengeluarkan tegangan bolak- balik dan rotor, yakni bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke stator.
Kumparan medan adalah kumparan yang diberi supply arus DC sehingga membangkitkan medan magnit. Medan magnit itu menimbulkan flux magnit, sedangkan kumparan yang lain
membangkitkan gaya gerak listrik. Generator kutub dalam ialah apabila kumparan medan terletak pada rotor dan kumparan jangkar terletak pada statornya. Generator kutub luar ialah apabila kumparan medan terletak pada statornya dan kumparan jangkar terletak pada rotornya atau kumparan jangkar berputar.
Pada generator AC sinkron, stator ditempatkan pada rumah (kerangka) yang diberikan isolasi. Stator terbuat dari laminasi inti-besi yang diberikan slot sebagai tempat untuk kumparan.
Tujuan menggunakan laminasi inti-besi adalah untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy (eddy current).
Ada dua jenis yang berbeda dari struktur medan generator sinkron, yaitu tipe kutub- sepatu (salient) dan silinder.
Rotor tipe kutub-sepatu
Generator kecepatan rendah yang digerakkan oleh mesin diesel atau turbin air mempunyai rotor dengan kutub medan yang menonjol atau kutub medan sepatu seperti rotor yang ditunjukkan dalam gambar
Gambar.3.1. Rotor kutub sepatu untuk generator sinkron
Gambar.3.2. Konstruksi Rotor Kutub Sepatu
Rotor tipe silinder
Generator kecepatan tinggi atau tipe turbo mempunyai rotor silinder seperti yang ditunjukkan dalam gambar dirancang untuk bekerja pada 3000 rpm. Konstruksi silinder penting dalam mesin kecepatan tinggi karena tipe kutub sepatu sukar dibuat untuk menahan tekanan pada kecepatan tinggi. Generator sinkron dengan konstruksi rotor silinder digerakkan oleh turbin uap atau gas. 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. Dalam hal ini PLTU Ombilin menggunakan rotor tipe silinder.
Gambar.3.3. Rotor tipe silinder untuk generator sinkron 3000 rpm
Gambar.3.4. Konstruksi dalam Rotor Silinder
3.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Prinsip dasar generator arus bolak-balik menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik, dimana rotor berlaku sebagai kumparan medan (yang menghasilkan medan magnet) dan akan menginduksi stator sebagai kumparan jangkar yang akan menghasilkan energi listrik. Pada belitan rotor diberi arus eksitasi DC yang akan menciptakan medan magnet. Rotor ini dikopel dengan turbin putar dan ikut berputar sehingga akan
menghasilkan medan magnet putar. Medan magnet putar ini akan memotong kumparan jangkar yang berada di stator. Oleh karena adanya perubahan fluks magnetik pada tiap waktunya maka pada kumparan jangkar akan mengalir gaya gerak listrik yang diinduksikan oleh rotor.
Besarnya GGL yang dibangkitkan adalah : E = C . n . Ø
Dimana : E = Gaya gerak induksi (Volt) C = konstanta
N = kecepatan putaran generator Ø = fluksi
Jika terdapat N lilitan, maka persamaan dapat ditulis :
- N
N = Banyaknya belitan kumparan
Ø = Banyaknya garis gaya magnet (fluks)
dt = Perubahan kecepatan perpotongan fluks dalam detik ƒ = frekwuensi
Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau bahkan akan mengalami kerusakan.
Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara paralel dengan generator yang telah bekerja sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama. Keuntungan dari
menggabungkan 2 generator atau lebih dalam suatu jaringan listrik adalah salah satu generator
tiba-tiba mengalami gangguan, maka generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain, sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari.
Terhubungnya suatu generator dengan generator lainnya dalam suatu jaringan interkoneksi yang disebut kerja paralel harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:
Nilai efektif arus bolak-balik dari tegangan harus sama.
Tegangan Generator yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang sama.
Frekuensi kedua generator atau frekuensi generator dengan jala-jala harus sama.
Urutan fasa dari kedua generator harus sama.
Tabel.3.5. Data spesifikasi Generator PLTU Ombilin
Merk GEC ALSTHOM
Type T 240 – 370 Y Three Phases
Series Number 413888
Year Of Manufacture 1994
Cooling by AIR
Rated Output 137.5 MVA
Rated Voltage 11500 V~
Rated Current 6903 A~
Power Factor 0.8
Ambient Temperature / °C Water Temperature 33 °C
Speed 3000 rpm
Frequency 50 Hz
Class of Insulation B
Duty Continuous
Excitation 172 V 1959 A
Standard I.E.C 34
Protection IP 55
Altitude < 1000 M
3.3 Pengertian Sistem Eksitasi
Sistem eksitasi adalah sistem mengalirnya pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik, sehingga menghasilkan tenaga listrik dan besar tegangan output bergantung pada besarnya arus eksitasi.
Perkembangan sistem eksitasi generator cenderung ke sistem eksitasi tanpa sikat, karena adanya sikat menimbulkan kesulitan, misalnya timbul loncatan api pada putaran tinggi dan daya tinggi pada generator arus searah yang menghasilkan arus penguat. Untuk menghilangkan sikat digunakan rotating dioda.
Macam-macam sistem eksitasi :
c. Sistem eksitasi dengan sikat (brush excitation)
Sistem eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listrik berasal dari sumber listrik yang berasal dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik (AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Dalam lemari penyearah, tegangan listrik arus bolak balik diubah atau disearahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol kumparan medan exciter utama (main exciter). Untuk mengalirkan arus eksitasi dari main eksiter ke rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang, demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter.
d. Sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation)
Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus eksitasi ke rotor generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan pada sikat arang relative kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat arang, pada generator pembangkit menggunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation).
Keuntungan sistem excitation tanpa menggunakan sikat (brushless excitation), antara lain adalah:
Energi yang diperlukan untuk excitacy diperoleh dari poros utama (main shaft), sehingga keandalannya tinggi.
Biaya perawatan berkurang karena pada system excitacy tanpa sikat (brushless excitation) tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring.
Pada system excitacy tanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi kerusakan isolasi karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat arang.
Mengurangi kerusakan (trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab semua peralatan ditempatkan pada ruang tertutup Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga meningkatkan keandalan operasi dapat berlangsung kontinyu pada waktu yang lama.
Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan bus exciter atau kabel tidak diperlukan lagi.
Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel tidak memerlukan pondasi.
Pada sistem eksitasi tanpa sikat, permasalahan timbul apabila terjadi gangguan hubung singkat atau gangguan hubung tanah di rotor, serta apabila ada beberapa dioda yang mengalami kerusakan, maka solusinya adalah melakukan penggantian dimana Unit harus dimatikan terlebih dahulu, kejadian ini dapat menimbulkan distorsi medan magnet pada generator yang selanjutnya menimbulkan vibrasi (getaran) berlebihan pada unit pembangkit. Sebagai contoh yang
mengunakan Brushless untuk sistem eksitasi adalah generator PLTU Ombilin 2 x 100 MW.
Merk GEC ALSTHOM
Type TKJ 85 – 15 Δ 9 Phases
Serial Number 413821
Year Of Manufacture 1994
Coolant AIR
Absolute Pressure 1 BAR
Rated Output 337 KW
Rated Voltage 172 V
Rated Current 1994 A Dc
Ambient Temperature / °C
Water / °C
Speed 3000 rpm Class of Insulation F
Duty Continuous
Excitation 49 V 97 A
Standard I.E.C 34ˉ1
Protection IP 55
Altitude < 1000 M
Tabel.3.6. Data Exciter PLTU Ombilin
3.4 Bagian-Bagian Sistem Eksitasi Pada Generator Unit 1 PLTU Ombilin
Pada gambar single line diagram excitation Ombilin dibawah ini terdapat beberapa bagian- bagian yang mendukung proses terjadinya eksitasi, yaitu:
Gambar.3.7. Single Line Diagram Excitation Ombilin
e. Rotating Dioda
f. Trafo Eksitasi
g. AVR
h. Battery
3.9.1. Rotating Dioda
Rotating rectifier merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh tiga fasa dua arah, lalu dikirim kembali. Setiap phasa mempunyai dua pasang rectifier sebagai jalan keluar masuknya arus. Jadi total semua rectifier untuk 3 phasa yang dipergunakan adalah 18 buah karena pada tiap-tiap phasa memiliki 9 buah kirim dan masuk Tegangan dari generator AC yang berfungsi sebagai Exciter disearahkan sebagai sumber Excitacygenerator utama. Rotating rectifier terletak pada poros utama.
Pada penyusunan rotating dioda tedapat dua tipe dioda yang digunakan, yaitu :
Tipe S 1104/SVD/29 ( dioda forward ) mengalir arus (+)
Tipe S 1104/SVU/29 ( dioda reverse ) mengalir arus (-)
Dimana sisi negatif dioda harus dihubungkan sesuai dengan sisi negatif pada cincin rotor.Pada cincin rotor terdapat beberapa titik, dimana 9 titik dihubungkan pada 9 dioda pada sisi negatif cincin dan 9 titik dihubungkan pada 9 dioda pada sisi positif cincin. Pada gambar dibawah ini menunjukan susunan rangkaian dioda pada rotating dioda Ombilin.
Gambar.3.8. Rangkaian dioda pada Rotating Dioda Exciter Ombilin
Gambar.3.9 Rangkaian Rotating Dioda Exciter PLTU Ombilin
3.4.3 Trafo Eksitasi
Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Pada PLTU Ombilin sistem trafo yang digunakan dalam eksitasi, yaitu:
Kode : GEV 104/ 204/ 304 TU
Tegangan : / Daya : 10kVA
3.9.2. Unit AVR (Automatic Voltage Regulator)
Unit AVR (Automatic Voltage Regulator) berfungsi untuk menjaga agar tegangan generator tetap konstan dengan kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator.
Prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter.Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator maka AVR akan memperbesar arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output Generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output Generator akan dapat distabilkan. AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untuk pembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis.
Maksud penggunaan AVR pada generator serempak yang tersambung pada sistem tenaga adalah :
3.10. Mengatur agar tegangan pada keadaan kerja normal konstan 3.11. Mengatur besarnya daya reaktif
3.12. Mempertinggi kapasitas pemuat (charging capasity) saluran transmisi tanpa beban dengan mengontrol eksitasi sendiri
3.13. Menekan kenaikan tegangan pada pembuangan beban (load ejection) 3.14. Menaikkan batas daya stabilitas peralihan
3.4.4. Battery
Battery merupakan suatu proses pengubahan energi kimia menjadi energi listrik yang berupa sel listrik. Battery yang digunakan pada sistem start up eksitasi generator Ombilin adalah battery basah dengan tegangan 220 VDC.
Gambar 4.0 Ruangan batray PLTU ombilin
3.5 Prinsip Kerja Sistem Eksitasi Generator Unit 1 Pada PLTU Ombilin
Prinsip kerja sistem eksitasi generator Ombilin dapat dilihat pada gambar single line diagram excitation dibawah ini:
6. Pada saat kondisi start up, dimana tegangan output generator belum ada Sumber eksitasi berasal dari battery 220VDC.
7. Saat kecepatan generator telah mencapai 3000 rpm dan eksitasi dari battery masuk, maka
K01 dan K02 akan close.
8. Selanjutnya generator akan terjadi pengasutan. Apabila tegangan output generator mencapai
50% dari tegangan nominal, sumber arus eksitasi dari battery diambil alih oleh trafo eksitasi ( T101, T102, T103). Sehingga K02 akan open.
9. Agar tegangan output generator tetap stabil 11,5 kV. AVR akan mengatur penyalaan
thyristor sesuai dengan kebutuhan eksitasi generator.
10. Output dari trafo eksitasi yang berupa tegangan AC disearahkan oleh thyristor menjadi tegangan DC.
Pada main exciter, karena dicatu arus medan, maka kumparan medannya akan menghasilkan fluks. Sesuai dengan prinsip generator kembali, maka pada main exciter akan dibangkitkan kembali tegangan AC tiga fhasa yang mempunyai frekuensi 50 HZ.
Tagangan AC yang dihasilkan kemudian di searahkan dengan mengunakan penyearah yang berputar (rotary rectifier), mengikuti putaran rotor generator utama. Rotary rectifier ini terdiri dari 18 dioda silikon. Dari proses penyearah inilah akan dihasilkan arus searah sebagai arus medan bagi generator pembangkit.
Arus medan akan dicatukan ke kumparan medan yang terdapat pada rotor generator pembangkit sehingga pada generator akan dibangkitkan tegangan AC 11,5 KV, 50 HZ.
Medan main exciter yang diam atau sebagai stator mandapat arus penguatan pertama dari batrai, yang kemudian diambil dari trafo.
Cara pengaturan dapat dilakukan dengan 3 cara :
4. Pengaturan sendiri, artinya AVR mendapat perintah dari tegangan dan arus generator utama
melalui trafo tegangan dan trafo arus, kemudian AVR menaikan dan menurunkan arus penguat, sesuai dengan perintah yang diterima oleh trafo tegangan dan trafo arus.
5. Pengaturan kombinasi dimana selain pengaturan sendiri maka dapat dibantu oleh operator
tampa melapas hubungan diatas.
6. Pengaturan manual, artinya arus penguat hanya diatur oleh operator. Dimana rangkain (1)
dilepas atau dipindah keposisi manual.
3.6 Keuntungan dan Kerugian Brushless Excitation Syistem.
3.6.1 Keuntungan
Penggunaan Brushless Excitation Syistem mempunyai beberapa keuntungan :
Keandalan tinggi dan kontinuitas operasinya terjamin karena mengunakan penyearah silikon yang keandalannya cukup tinggi.
Dalam pengoperasian nya tidak menghasilkan bunga api.
Dapat digunakan pada generator yang terletak pada daerah berbahaya, seperti daerah yang mengandung bahan bahan kimia pemicu terjadinya kebakaran seperti pengilangan minyak.
Pemeliharaan dan pemeriksaan lebih mudah. Sistem ini mengunakan komponen yang tidak begitu penting untuk diperiksa tiap hari, cukup secara periodik.
3.6.2 Kerugian
Kerugian pemakain sistem ini adalah :
Diperlukan biaya investasi awal yang besar karena peralatannya banyak.
Karena banyaknya peralatan, maka akan memperluas beban pemaliaharaan dan pemeriksaan.
