SISTEM EKSITASI DAN KONTROL AVR
1.1 Latar Belakang
Dalam sistem pembangkit listrik, kestabilan tegangan keluaran generator merupakan aspek krusial yang sangat memengaruhi kualitas dan keandalan pasokan listrik. Untuk menjaga tegangan terminal generator tetap stabil meskipun terjadi perubahan beban atau kondisi sistem, digunakan sistem eksitasi dan pengatur tegangan otomatis (Automatic Voltage Regulator/AVR).
Sistem ini mengendalikan arus eksitasi ke rotor generator sehingga mampu mempertahankan tegangan pada level yang diinginkan serta mendukung kestabilan sistem daya secara
keseluruhan.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Generator Sinkron dalam Sistem Pembangkit
Generator sinkron (synchronous generator) adalah mesin listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, di mana medan magnet rotor berputar seiring dengan frekuensi
jaringan. Tegangan output generator tergantung pada kecepatan putar rotor dan besarnya medan magnet, yang berasal dari arus eksitasi.
Dalam sistem pembangkit tenaga listrik, generator sinkron digunakan karena mampu menghasilkan tegangan dan frekuensi yang stabil, serta dapat dikendalikan karakteristiknya melalui sistem eksitasi. Dengan eksitasi yang tepat, generator mampu menjaga kestabilan sistem daya (power system stability) baik dalam kondisi normal maupun gangguan.
2.2 Peran Arus Eksitasi
Arus eksitasi adalah arus searah (DC) yang mengalir ke kumparan medan rotor untuk membentuk fluks magnet. Arus ini sangat memengaruhi:
• Besarnya tegangan terminal output generator,
• Faktor daya (power factor),
• Stabilitas sinkron generator terhadap sistem,
• Distribusi aliran daya reaktif dalam sistem tenaga.
Kekurangan arus eksitasi menyebabkan underexcitation (faktor daya lagging), sedangkan kelebihan arus eksitasi menyebabkan overexcitation (faktor daya leading), keduanya bisa berdampak negatif pada operasi sistem tenaga.
2.3 Konsep Dasar AVR (Automatic Voltage Regulator)
AVR adalah sistem pengatur tegangan otomatis yang menjaga tegangan terminal generator konstan dengan cara mengontrol besar arus eksitasi berdasarkan sinyal umpan balik (feedback) dari tegangan output aktual. AVR merupakan bagian dari sistem kontrol umpan balik tertutup (closed-loop control) dan biasanya didesain agar memiliki respon cepat, akurat, serta mampu menjaga stabilitas.
PRINSIP KERJA DAN KOMPONEN SISTEM
3.1 Diagram Sistem Eksitasi & AVR
Berikut diagram blok dasar hubungan antar komponen:
[Sensor Tegangan] → [AVR] → [Sistem Eksitasi] → [Rotor Generator]
↑
[Sumber Tenaga (AC/DC)]
3.2 Penjelasan Komponen Utama Sistem
a. Sensor TeganganSensor ini mengukur tegangan terminal output generator dan mengubahnya menjadi sinyal analog atau digital yang dapat diproses oleh AVR. Pengukuran biasanya dilakukan secara tiga fasa dan disesuaikan menggunakan transformator tegangan (VT).
b. Pembanding (Error Detector)
Tegangan yang diukur dibandingkan dengan tegangan referensi yang telah ditentukan. Selisih ini disebut sinyal error yang kemudian diperkuat untuk menghasilkan aksi kontrol.
c. Penguat dan Kontroler (Amplifier & Controller)
Bagian ini memperkuat sinyal error dan melakukan pengolahan sinyal menggunakan teknik pengendalian, seperti:
• Kontrol Proporsional (P)
Memperkuat sinyal kesalahan sebanding nilainya.
• Kontrol Integral (I)
Menyesuaikan sinyal eksitasi berdasarkan akumulasi error.
• Kontrol Derivatif (D)
Mempercepat respon sistem terhadap perubahan cepat.
Kombinasi ketiganya dikenal sebagai kontrol PID dan sering digunakan dalam AVR modern.
d. Sumber Daya Sistem Eksitasi
Sumber daya eksitasi bisa berasal dari:
• Terminal generator itu sendiri (self-excited),
• Sumber eksternal (independent excitation),
• PMG (Permanent Magnet Generator) untuk keandalan sistem.
e. Exciter dan Penyearah
Exciter adalah generator kecil (baik AC atau DC) yang menghasilkan daya eksitasi. Output dari exciter disearahkan oleh dioda atau SCR untuk menghasilkan arus DC menuju rotor utama generator.
f. Unit Proteksi AVR
Melindungi sistem dari:
• Overvoltage (tegangan berlebih),
• Overcurrent (arus berlebih),
• Excitation Loss (hilangnya eksitasi),
• Overexcitation atau underexcitation yang dapat merusak rotor.
JENIS-JENIS SISTEM EKSITASI
Sistem eksitasi dibedakan berdasarkan cara penyediaan arus eksitasi dan bagaimana kontrol dilakukan.
4.1 Sistem Eksitasi DC (Konvensional)
• Menggunakan generator DC (main exciter) yang digerakkan bersama dengan rotor utama.
• Menghasilkan arus DC langsung untuk eksitasi.
• Keunggulan: sederhana, stabil.
• Kekurangan: perawatan tinggi (brush & komutator), lambat dalam merespon perubahan beban.
Aplikasi: Pembangkit kecil atau sistem lama.
4.2 Sistem Eksitasi AC dengan Sikat
• Menggunakan generator AC kecil (AC exciter) yang digerakkan oleh poros utama.
• Arus AC dari exciter disearahkan dengan penyearah tetap (biasanya SCR) dan disalurkan melalui sikat ke rotor utama.
• Lebih cepat daripada sistem DC, namun masih memerlukan sikat.
4.3 Sistem Eksitasi Brushless (Tanpa Sikat)
• Terdiri dari:
o PMG (Permanent Magnet Generator) → Menghasilkan arus AC tetap,
o Exciter AC → Digerakkan poros utama, statornya menerima arus dari AVR,
o Dioda Putar (Rotating Rectifier) → Menyearahkan arus AC menjadi DC, langsung masuk ke rotor utama tanpa menggunakan sikat.
Keunggulan:
• Tidak ada komponen gesek (brush/komutator),
• Perawatan rendah,
• Keandalan tinggi,
• Umur pakai panjang.
Aplikasi: PLTU, PLTA, dan pembangkit besar modern.
4.4 Sistem Eksitasi Statis (Static Excitation System)
• Tidak menggunakan exciter fisik.
• Mengambil daya langsung dari terminal generator (via trafo bantu), disearahkan, dikontrol oleh AVR, lalu disuplai ke rotor melalui cincin geser.
Ciri-ciri:
• Respon sangat cepat,
• Presisi tinggi,
• Memungkinkan implementasi proteksi dan kontrol digital.
Kekurangan:
• Memerlukan sistem proteksi canggih,
• Bergantung pada suplai tegangan dari generator.
PERAN SISTEM EKSITASI DALAM STABILITAS SISTEM TENAGA
5.1 Pentingnya Stabilitas Sistem Tenaga
Dalam sistem tenaga listrik, stabilitas adalah kemampuan sistem untuk kembali ke keadaan operasi normal setelah mengalami gangguan (seperti gangguan hubung singkat, kehilangan beban, atau perubahan besar pada beban). Sistem eksitasi dan AVR memiliki peran penting dalam menjaga stabilitas tersebut, khususnya pada generator sinkron.
Terdapat tiga jenis stabilitas yang dipengaruhi oleh sistem eksitasi:
5.2 Stabilitas Steady-State (Keadaan Mantap)
Stabilitas steady-state adalah kemampuan sistem untuk mempertahankan tegangan dan frekuensi konstan dalam jangka panjang pada kondisi operasi normal. AVR bekerja secara kontinu untuk menyesuaikan arus eksitasi sesuai fluktuasi beban agar tegangan terminal tetap stabil.
Contoh:
Ketika beban bertambah, tegangan cenderung menurun. AVR merespons dengan meningkatkan arus eksitasi sehingga tegangan kembali ke nilai nominal.
5.3 Stabilitas Dinamis
Stabilitas dinamis mencakup kemampuan sistem untuk menahan gangguan ringan yang terus- menerus (seperti fluktuasi beban rumah tangga atau industri) tanpa kehilangan kestabilan. AVR modern memiliki bandwidth tinggi dan kecepatan respon yang sangat baik untuk menanggapi perubahan cepat ini.
Pendukungnya:
• Fast Response Excitation System: mampu mengkompensasi perubahan dalam milidetik.
• Penerapan PID Controller dan limiter: mempertahankan performa optimum dalam variasi kondisi sistem.
5.4 Stabilitas Transien
Stabilitas transien adalah kemampuan sistem untuk tetap sinkron setelah gangguan besar (misalnya petir, gangguan pada saluran transmisi, atau pemutusan mendadak). Dalam waktu milidetik hingga beberapa detik setelah gangguan, sistem eksitasi berperan vital untuk:
• Memberikan eksitasi maksimum saat gangguan,
• Mendukung medan magnet rotor untuk tetap sinkron terhadap sistem,
• Mencegah out-of-step pada generator.
Pendekatan:
• AVR dengan fast ceiling voltage response,
• Power System Stabilizer (PSS) sering ditambahkan pada AVR untuk meredam osilasi daya antar generator.
5.5 Dukungan Terhadap Sistem SCADA dan Digital Control
Sistem eksitasi modern sering diintegrasikan dengan SCADA dan sistem kontrol digital. Hal ini memungkinkan:
• Pemantauan arus eksitasi secara real-time,
• Pengaturan setpoint AVR dari ruang kontrol,
• Integrasi proteksi otomatis terhadap kondisi abnormal.
KESIMPULAN
Sistem eksitasi dan AVR adalah komponen fundamental dalam sistem pembangkit listrik berbasis generator sinkron. Fungsinya bukan hanya untuk mengatur tegangan keluaran, namun juga memegang peran sentral dalam menjaga stabilitas sistem tenaga dalam segala kondisi, dari normal hingga kondisi gangguan berat.
Teknologi brushless excitation dan static excitation memberikan keunggulan signifikan dalam keandalan dan respon sistem. AVR modern dengan kontrol digital, fitur PID, serta integrasi dengan sistem monitoring SCADA membuat sistem kontrol tegangan jauh lebih presisi dan fleksibel.
Bagi sistem pembangkit berskala besar dan kritikal seperti PLTU, PLTA, maupun Pembangkit Listrik Tenaga Gas, pemilihan sistem eksitasi dan AVR dengan respons cepat dan fitur proteksi lengkap sangat dianjurkan. Integrasi dengan sistem stabilisasi daya seperti PSS juga akan meningkatkan stabilitas sistem tenaga secara keseluruhan.
