Analisa Pengaruh Arus Eksitasi trhadap Pembebanan di PLTA Cirata Unit 2

LAPORAN PRAKTIK KERJA LAPANGAN Di PT PEMBANGKITAN JAWA BALI UP CIRATA Tegal Waru, Plered, Purwakarta.

ANALISA PENGARUH ARUS EKSITASI GENERATOR TERHADAP PEMBEBANAN PADA PLTA CIRATA UNIT 2

Disusun sebagai salah satu tugas mata kuliah Praktik Kerja Lapangan/Seminar pada Semester VII

Disusun Oleh: Aditia Kurniawan 121724002

DEPARTEMEN TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2015

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

PT. PEMBANGKITAN JAWA BALI

LEMBAR PENGESAHAN Nama

: Aditia Kurniawan

NIM

: 121724002

Jurusan/ Program Studi

: Teknik Konversi Energi / D-4 Teknologi Pembangkit Tenaga Listrik.

Judul Laporan

: Analisa Pengaruh Arus Eksitasi Generator terhadap Pembebanan Pada PLTA Cirata Unit 2

Tempat Kerja Praktik

: PT. PJB UP. Cirata

Waktu Kerja Praktik

: 29 Juli 2015 – 27 Agustus 2015

Telah diperiksa dan disetujui oleh Pembimbing Lapangan

Dosen Pembimbing

M.Muslih Mafruddin.

Dr. Hartono Budi Santoso, M.T NIP. 196611071995121002

Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Bandung

Ahmad Deni Mulyadi M.T NIP. 196306231992031002

i



KATA PENGANTAR Segala puja dan puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan rahmat serta karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan praktik kerja lapangan tentang “Analisa Pengaruh Arus Eksitasi Generator terhadap Pembebanan Pada PLTA Cirata unit 2”. Dalam penyelesaian laporan ini, penulis banyak mendapat bantuan dan dorongan dari berbagai pihak, baik yang berupa moril, maupun materil yang sangat berarti bagi penyelesaian laporan ini. Oleh karenanya penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Wisrawan Wahju Pribowo, selaku General Manager di UP Cirata PT.PJB. 2. Bapak Dr. Hartono Budi Santoso, M.T selaku dosen pembimbing di Politeknik Negeri Bandung. 3. Bapak Ahmad Deni Mulyadi, M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Konversi Energi. 4. Bapak Ir. Teguh Sasono, M.T, selaku Ketua Prodi Teknologi Pembangkit Tenaga Listrik. 5. Ibu Siti Saodah, M.T, selaku Koordinator Kerja Praktik Lapangan Teknik Konveri Energi. 6. Bapak M. Muslih Mafruddin, selaku supervisor, mentor dan pembimbing lapangan di PLTA Cirata PT.PJB. 7. Bapak Achmad Awaludin, selaku superpvisor HAR Listrik di PLTA Cirata PT.PJB. 8. Bapak Iwa Koesnandar, selaku supervisor HAR Konin di PLTA Cirata PT.PJB. 9. Seluruh staf dan rekan-rekan OJT HAR Listrik di PLTA Cirata PT.PJB. 10. Pimpinan dan Staf GITET Cirata Baru APP Karawang PT.PLN PERSERO. Penulis menyadari dengan keterbatasan pengetahuan penulis dan luasnya materi penulisan laporan ini sangatlah jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati, penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran yang sifatnya membangun dan mengarah kepada yang lebih baik dari semua pihak. Semoga laporan praktikum ini dapat mendatangkan manfaat bagi pembaca umumnya dan bagi penulis sendiri khususnya. Bandung,

November 2015

Penulis ii



DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................................. i KATA PENGANTAR ......................................................................................................... ii DAFTAR ISI ....................................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................... v BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ........................................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah...................................................................................................... 2 1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................................................... 2 1.4 Batasan Masalah ........................................................................................................ 2 1.5 Tempat dan waktu Pelaksanaan ............................................................................... 2 1.6 Metode Pengumpulan Data ....................................................................................... 2 1.7 Profil UP Cirata PT.PJB ........................................................................................... 3 1.7.1 Sejarah Singkat ................................................................................................... 3 1.7.2 Penjelasan Umum PLTA Cirata ........................................................................ 3 1.7.3 Sistem Water Way .............................................................................................. 5 1.7.4 Proses Produksi PLTA Cirata ........................................................................... 6 1.7.5 Peran PLTA Cirata di Sistem JAMALI ........................................................... 7 BAB II LANDASAN TEORI .............................................................................................. 8 2.1 Medan Magnet ............................................................................................................ 8 2.2 Induksi Elektromagnetik ........................................................................................... 9 2.3 Generator Sinkron ................................................................................................... 11 2.4 Sistem Eksitasi .......................................................................................................... 15 2.5 Jenis-Jenis Beban ..................................................................................................... 17 BAB III SISTEM EKSITASI PLTA CIRATA UNIT 2 ................................................. 21 3.1 Skematik Sistem Eksitasi ......................................................................................... 21 3.2 Pengaturan Sistem Eksitasi Dalam Kondisis Berbeban ....................................... 22 3.3 Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 ...................................................................... 23 3.4 Spesifikasi Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 ................................................... 26 BAB IV ANALISIS DATA ............................................................................................... 31 4.1 Cara Kerja Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 .................................................. 31 4.2 Pengaruh Arus Eksitasi Generator Terhadap Pembebanan ............................... 32 iii



BAB V PENUTUP ............................................................................................................. 36 5.1 Simpulan ................................................................................................................... 36 5.2 Saran ......................................................................................................................... 36 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................... vi LAMPIRAN ........................................................................................................................ vi

iv



DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Lokasi Unit Pembangkitan Cirata ...................................................................... 4 Gambar 1.2 Power House PLTA Cirata ................................................................................ 5 Gambar 1.3 Sistem Water Way PLTA Cirata ........................................................................ 5 Gambar 1.11 Proses Produksi PLTA Cirata .......................................................................... 6 Gambar 2.1 Kutub Magnet Bumi .......................................................................................... 8 Gambar 2.2 Bentuk Garis-Garis Gaya Magnet pada Magnet Batang ................................... 9 Gambar 2.3 Macam-macam Bentuk Magnet yang Umum Dibuat ........................................ 9 Gambar 2.4 Gaya Gerak Listrik Induksi ............................................................................. 10 Gambar 2.5 Generator Sinkron ............................................................................................ 12 Gambar 2.6 Konstruksi Generator Sinkron ......................................................................... 12 Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Statis ....................................................................................... 16 Gambar 2.8 Sistem Eksitasi Dinamik .................................................................................. 16 Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat ............................................................................ 17 Gambar 2.10 Bentuk Gelombang Beban Resistif ................................................................ 18 Gambar 2.11 Bentuk Gelombang Beban Induktif ............................................................... 19 Gambar 2.12 Bentuk Gelombang Beban Kapasitif ............................................................. 20 Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Eksitasi ......................................................................... 21 Gambar 3.2 Single Line Diagram Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 ............................. 24 Gambar 3.3 Spesifikasi Sistem Eksitasi Generator PLTA Cirata Unit 2 ............................ 26 Gambar 3.4 Spesifikasi Generator PLTA Cirata Unit 2 ...................................................... 26 Gambar 3.5 Spesifikasi Battery Sistem Eksitasi PLTA Cirata unit 2 ................................. 27 Gambar 3.6 Spesifikasi Trafo Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 ................................... 27 Gambar 3.7 Spesifikasi Thyristor Rectifier PLTA Cirata Unit 2 ........................................ 28 Gambar 3.8 Spesifikasi Field Discharge Device PLTA Cirata Unit 2 ................................ 28 Gambar 3.9 Spesifikasi Ventilation Unit PLTA Cirata Unit 2 ............................................ 29 Gambar 3.10 Spesifikasi Over Voltage Protection PLTA Cirata Unit 2............................. 29 Gambar 3.11 Spesifikasi Field Flashing PLTA Cirata Unit 2 ............................................ 30 Gambar 4.1 Grafik Pembebanan terhadap Tegangan Terminal .......................................... 33 Gambar 4.2 Grafik Pembebanan terhadap Arus Eksitasi .................................................... 34 Gambar 4.3 Grafik Pembebanan terhadap Tegangan Terminal dan Arus Eksitasi ............. 35 Gambar 5.1 Wiring Diagram Rotor Generator .................................................................... vi v



Gambar 5.2 Wiring Diagram Excitation Flashing ............................................................... vi Gambar 5.3 Wiring Diagram Excitation Rectifier............................................................... vii Gambar 5.4 Wiring Diagram Excitation Transformer ....................................................... viii

vi



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sistem eksitasi merupakan salah satu bagian terpenting dalam proses pembangkitan tenaga listrik, khususnya pada generator. Sistem eksitasi pada generator berfungsi untuk menghasilkan medan magnet pada kumparan medan di rotor, sehingga ketika rotor yang dikopel dengan prime mover berputar, maka akan timbul medan putar yang akan menginduksi kumparan jangkar pada stator, sehingga pada kumparan jangkar akan timbul fluks magnetik yang besarnya berubah-ubah terhadap waktu. Dengan adanya fluks magnetik yang melingkupi kumparan jangkar pada stator ini, maka pada ujung kumparan tersebut timbul ggl induksi atau tegangan listrik. Pada pembangkit listrik tenaga air (PLTA) Cirata, sistem eksitasi diatur menggunakan alat yang disebut Automatic Voltage Regulator (AVR). AVR ini bekerja dengan cara mengatur besarnya arus eksitasi yang diinjeksikan ke kumparan medan pada rotor generator untuk menghasilkan ggl induki atau tegangan yang diinginkan sesuai dengan pembebanan yang diterapkan. Di Indonesia, pembebanan diatur oleh PT.PLN PERSERO khususnya oleh unit Pusat Penyalur dan Pengatur Beban (P3B). Unit P3B ini akan mengatur besarnya pembagian beban untuk masing-masing pembangkit tenaga listrik melalui sistem jaringan interkoneksi JawaMadura-Bali (Jamali) 500 KV yang menghubungkan antara pusat beban dengan pusat pembangkitan tenaga listrik. Pembebanan yang dibebankan pada pembangkit setiap waktunya berubah-ubah. Oleh karenanya suatu pembangkit tenaga listrik harus mampu membangkitkan daya listrik sesuai dengan besarnya beban yang berubah-ubah tersebut. Pada pembangkit tenaga listrik, fluktuasi pembebanan ini dapat diatasi dengan mengatur bukaan katup air atau uap dan jumlah arus eksitasi yang diinjeksikan pada rotor generator pada putaran rotor yang konstan oleh AVR sehingga dihasilkan daya listrik yang sesuai dengan pembebanan yang diterapkan. Dengan pentingnya fungsi sistem eksitasi pada suatu pembangkit tenaga listrik, maka pada laporan kerja praktek ini, penulis akan membahas mengenai jenis, cara kerja, dan pengoperasian sistem eksitasi serta akan membahas pengaruh pengaturan arus eksitasi pada generator terhadap pembebanan di PLTA Cirata PT.PJB.

1



1.2 Rumusan Masalah Adapun masalah yang diangkat untuk dibahas pada laporan kerja praktek ini yakni sebagai berikut: 1. Bagaimana cara kerja sistem eksitasi pada generator di PLTA Cirata PT.PJB? 2. Bagaimana pengaruh arus eksitasi generator terhadap pembebanan pada PLTA Cirata Unit 2? 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dilakukannya penulisan laporan kerja praktek ini adalah sebagi berikut: 

Mengetahui fungsi sistem eksitasi pada pembangkit tenaga listrik



Mengetahui jenis sistem eksitasi pada generator di PLTA Cirata PT.PJB



Mengetahui cara kerja sistem eksitasi pada generator di PLTA Cirata PT.PJB



Mengetahui pengaruh pembebanan terhadap pengaturan arus eksitasi pada generator di PLTA Cirata PT.PJB

1.4 Batasan Masalah Laporan kerja praktek ini hanya akan membahas jenis, cara kerja, dan pengoperasian sistem eksitasi serta akan membahas pengaruh pembebanan terhadap pengaturan arus eksitasi pada generator di PLTA Cirata PT.PJB 1.5 Tempat dan waktu Pelaksanaan Kerja praktek dilakukan di PLTA Cirata, UP Cirata PT.PJB, Plered, Purwakarta, Jawa Barat, pada tanggal 29 Juli 2015 sampai 27 Agustus 2015. 1.6 Metode Pengumpulan Data Menurut Arikunto (2006:158), “Pengumpulan data merupakan teknik untuk memperoleh informasi yang dibutuhkan dalam rangka mencapai tujuan penelitian”. Pada kerja praktik kali ini, pengumpulan data dilakukan dengan metode studi literatur, wawancara, dan dokumentasi. Pengumpulan data dengan metode studi literatur dilakukan dengan cara mencari sumber referensi di perpustakaan PLTA Cirata dari jurnal dan laporan PA karyawan PLTA Cirata. Untuk metode wawancara dilakukan dengan mewawancarai karyawan PLTA Cirata yang ahli dan kompeten dibidang pemeliharaan listrik dan sistem kontrol. Sedangkan metode dokumentasi dilakukan untuk memperoleh data operasional harian di PLTA Cirata, data-data ini yang nantinya akan dianalisis. 2



1.7 Profil UP Cirata PT.PJB 1.7.1 Sejarah Singkat PLTA Cirata, sejak pertama dioperasikan pada tahun 1988 dikelola oleh PT. PLN (persero) Pembangkitan dan Penyaluran Jawa Bagian Barat (PT. PLN KJB) Sektor Cirata. Pada tahun 1995 terjadi restruktirisasi di PT PLN (Persero) yang mengakibatkan pembentukan 2 anak perusahaan pada tanggal 3 Oktober 1995, yaitu PT. PLN Pembangkit Tenaga Listrik Jawa-Bali (PT. PLN PJB 1) dan PT. PLN Pembangkit Tenaga Listrik JawaBali (PT. PLN PJB II), sehingga Sektor Cirata masuk wilayah kerja PT PLN Pembangkit Tenaga Listrik Jawa-Bali II. Kemudian pada tahun 1997, Sektor Cirata berubah nama menjadi PT PLN Pembangkit Tenaga Listrik Jawa – Bali II Unit Pembangkit Cirata (UP Cirata) 1.7.2 Penjelasan Umum PLTA Cirata Waduk Cirata terbentuk dari adanya genangan air seluas 62 km2 akibat pembangunan waduk yang membendung Sungai Citarum. Genangan waduk tersebut tersebar di 3 (tiga) kabupaten, yaitu Kabupaten Cianjur, Purwakarta dan Kabupaten Bandung. Genangan air terluas terdapat di Kabupaten Cianjur. Dalam memenuhi kebutuhan listrik yang semakin meningkat, pemerintah menentukan kebijakan penghematan bahan bakar minyak. Pemanfaatan potensi tenaga air sebagai sumber energi tenaga listrik makin bertambah dan penting mengingat keterbatasan sumber energi primer disamping usaha konversi air. Pembangunan proyek PLTA Cirata merupakan salah satu cara pemanfaatan potensi tenaga air di Sungai Citarum. PLTA Cirata terletak di wilayah Kabupaten Bandung, kurang lebih 60 km sebelah Barat Laut atau 100 km dari kota Jakarta melalui jalan Purwakarta. Unit Pembangkitan Cirata merupakan salah satu Unit Pembangkit listrik tenaga air yang dimiliki oleh PT. PJB yang berlokasi di Desa Cadas Sari, Kecamatan Tegalwaru, Plered, Purwakarta. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Cirata merupakan PLTA terbesar di Asia Tenggara. PLTA ini memiliki konstruksi power house di bawah tanah dengan kapasitas 8 x 126 MegaWatt (MW) sehingga total kapasitas terpasang 1.008 MegaWatt (MW) dengan produksi energi listrik rata-rata 1.428 GigaWatthour (GWh) pertahun. Kapasitas 1008 MW tersebut terdiri dari Cirata I yang memiliki empat unit masing-masing operasi dengan daya terpasang 126 MW yang mulai dioperasikan tahun 1988 dengan daya terpasang 504 MW, serta Cirata II yang mulai dioperasikan sejak tahun 1997 dengan daya terpasang 504 MW.

3



Gambar 1.1 Lokasi Unit Pembangkitan Cirata Sumber: Suryadiningrat, Rian. 2013. Pengoperasian Turbin Generator PLTA Besar dan Pengoperasian Sistem Penunjang PLTA Besar. UP.Cirata:PT.PJB, Purwakarta Adapun tinggi air jatuh efektif untuk memutar turbin adalah 112,5 meter dengan debit air maksimum 135 m3/detik. PLTA Cirata dibangun dengan komposisi bangunan power house empat lantai di bawah tanah, dengan ukuran power house yang memiliki panjang 225 m, lebar 35 m, dan tinggi 49,5 m. Pengoperasian PLTA Cirata dikendalikan dari ruang control switchiyard yang berjarak sekitar 2 kilometer (km) dari mesin-mesin pembangkit yang terletak di power house. NO

UNIT

PABRIK PEMBUAT

KAPASITAS

MULAI OPERASI

1

PLTA 1

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

25 MEI 1988

2

PLTA 2

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

29 FEB 1988

3

PLTA 3

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

30 SEP 1988

4

PLTA 4

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

10 AGS 1988

5

PLTA 5

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

15 AGS 1997

6

PLTA 6

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

15 AGS 1997

7

PLTA 7

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

15 APR 1998

8

PLTA 8

VA-ELIN AUSTRIA

126 MW

15 APR 1998

Tabel 1.1 Kapasitas Terpasang PLTA Cirata Sumber: Suryadiningrat, Rian. 2013. Pengoperasian Turbin Generator PLTA Besar dan Pengoperasian Sistem Penunjang PLTA Besar. UP.Cirata:PT.PJB, Purwakarta 4



Gambar 1.2 Power House PLTA Cirata Sumber: Suryadiningrat, Rian. 2013. Pengoperasian Turbin Generator PLTA Besar dan Pengoperasian Sistem Penunjang PLTA Besar. UP.Cirata:PT.PJB, Purwakarta 1.7.3 Sistem Water Way PLTA Cirata Water way merupakan saluran atau bangunan yang digunakan untuk menyalurkan air dari danau atau waduk menuju instalasi turbin. Berikut ini merupakan sistem water way yang ada pada PLTA Cirata: 1. Waduk

5. Surge Tank

9. Draft tube

2. Dam

6. Penstock

10. Tailrace Gate

3. Intake Gate

7. Inlet Valve

11. Spilway Gate

4. Headrace Tunnel

8. Spiral Case

12. Diversion tunnel

13. Crane Barge

Gambar 1.3 Sistem Water Way PLTA Cirata Sumber: Suryadiningrat, Rian. 2013. Pengoperasian Turbin Generator PLTA Besar dan Pengoperasian Sistem Penunjang PLTA Besar. UP.Cirata:PT.PJB, Purwakarta 5



1.7.4 Proses Produksi PLTA Cirata Proses pembangkitan listrik di PLTA Cirata adalah dengan memanfaatkan debit aliran sungai yang kemudian masuk ke dalam suatu power house sebelum menghasilkan daya suatu listrik. Proses produksi pembangkitan listrik di PLTA UP Cirata dapat dilihat pada Gambar berikut:

Gambar 1.11 Proses Produksi PLTA Cirata Sumber: Suryadiningrat, Rian. 2013. Pengoperasian Turbin Generator PLTA Besar dan Pengoperasian Sistem Penunjang PLTA Besar. UP.Cirata:PT.PJB, Purwakarta Keterangan : 1. Waduk

9. Spiral Casing

2. Water Intake

10. Turbin

3. Dam Control Centre (DCC)

11. Draft tube

4. Headrace Tunnel

12. Tail race

5. Surge Tank

13. Transformator

6. Penstock

14. Gardu Induk (GI)

7. Inlet Valve

15. SUTET

8. Generator

6



Dalam proses produksi energi listrik, PLTA Cirata memanfaatkan air sebagai energi primer dari sungai Citarum yang memiliki debit air cukup besar dan ditampung di waduk kemudian dialirkan melalui pintu air (Intake Gate) sebagai pintu pembuka dan penutup aliran air dari waduk menuju generator turbin, sedangkan monitoring kondisi waduk seperti elevasi air dilakukan dari pusat pengendalian bendungan (Dam Control Centre), selanjutnya masuk ke dalam terowongan tekan (Headrace tunnel). Sebelum memasuki pipa pesat (penstock), air melewati tangki pendatar (surge tank) yang berfungsi sebagai pengaman pipa pesat apabila terjadi tekanan mendadak atau tekanan kejut saat katup utama (main inlet valve) ditutup seketika. Setelah katup utama dibuka, air masuk kedalam rumah siput (spiral case). Air yang bergerak deras memutar turbin, dan keluar melalui pipa pembuangan (draft tube) menuju pintu keluar (tail race gate) sampai ke sungai melalui saluran keluar (tail race tunnel). Saluran pembuangan (draft tube) berbentuk miring ke atas, maksudnya adalah untuk menghindari terjadinya kavitasi. Kavitasi adalah berubahnya air atau uap karena tekanan tempat mencapai uap jenuh. Terjadi proses perubahan energi pada proses tersebut. Air yang keluar dari waduk menuju pipa pesat (penstock) akan menghasilkan energi potensial. Selanjutnya air masuk menuju turbin dan menggerakan komponen turbin berupa runner sehingga terjadi perubahan energi potensial menjadi energi kinetik. Energi kinetik pada runner turbin akan berputar menggerakan poros turbin, karena poros turbin disambung dan digabung dengan poros generator maka akan menyebabkan pergerakan mekanik pada rotor generator. Rotor generator akan memotong garis-garis gaya magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan di rotor, kemudian akan timbul ggl induksi pada stator generator (kumparan jangkar) berupa tegangan sebesar 16,5 kV. Energi listrik tersebut yang digunakan untuk menyuplai beban. Energi listrik dengan tegangan 16,5 kV disalurkan ke trafo utama (main transformer) untuk mengubah tegangan 16,5 kV akan dinaikan menjadi 500 kV (Step Up), selanjutnya ke gardu induk (GI) dan disalurkan menuju sistem interkoneksi JawaMadura-Bali 500 kV. 1.7.5 Peran PLTA Cirata di Sistem JAMALI Kontribusi utama Cirata terhadap sistem Jawa-Madura-Bali yaitu memikul beban puncak dan beroperasi pada pukul 17.00-22.00 WIB, dengan mode operasi LFC (Load Frequency Control). Selain itu PLTA Cirata juga sebagai pengendali frekuensi pada system 500 kV melalui load frequency control (LFC) dan memiliki fasilitas black start dan line charging bila transmisi 500 kV padam total (Black Out) karena memiliki kemampuan Start Up operasi/ sinkron ke jaringan 500 KV yang relative cepat ±5 menit. 7



BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Medan Magnet Medan magnet adalah ruangan di sekitar kutub magnet, yang gaya tarik atau tolaknya masih dirasakan oleh magnet lain. Standar satuan energi magnet ini adalah kuat medan magnet atau rapat fluks magnet (B). Standar internasional untuk rapat fluks magnet ini adalah Tesla, sedangkan satuan unit medan magnet yang lebih kecil adalah Gauss dimana 1 Tesla = 10.000 Gauss. Bila ditinjau dalam masalah medan listrik terhadap medan magnet, maka dapat digambarkan dengan Hukum Lorentz sebagai berikut: 𝐹 = 𝑞𝐸 + 𝑞𝑣 × 𝐵 dimana: F = gaya gerak magnet qE = kuat medan listrik qv = arah gerak B = kuat magnet (rapat fluks magnet)

Gambar 2.1 Kutub Magnet Bumi Sumber: Anthony, Zuriman.2015. Generator Sinkron, [pdf]. Sumber medan magnet alami dipolalisasikan menjadi 2 kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan, seperti halnya kutub magnet bumi yang diperlihatkan pada gambar 2.1. Bila dibuat pula suatu magnet batangan yang mempunyai dua kutub (kutub Utara dan Selatan), maka garis gaya dari suatu megnet batang ini adalah berupa garis-garis tertutup, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.2. Jika garis-garis gaya yang terjadi pada magnet ini 8



digambarkan, maka akan terlihat garis-garis gaya ini keluar dari kutub Utara magnet dan masuk ke kutub Selatan magnet (perlihatkan pada gambar 2.2).

Gambar 2.2 Bentuk Garis-Garis Gaya Magnet pada Magnet Batang Sumber: Anthony, Zuriman.2015. Generator Sinkron, [pdf]. Magnet mempunyai kekuatan yang disebut kuat medan magnet. Dari magnet ini timbul garis-garis gaya magnet yang dapat mempengaruhi benda di sekitarnya, terutama bahanbahan yang mudah dipengaruhi medan magnet, seperti besi dan bahan sejenisnya. Gambaran bentuk benda magnet yang telah umum dibuat diperlihatkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Macam-macam Bentuk Magnet yang Umum Dibuat Sumber: Anthony, Zuriman.2015. Generator Sinkron, [pdf].

2.2 Induksi Elektromagnetik Induksi elektromagnetik ialah gejala terjadinya arus listrik dalam suatu penghantar akibat adanya perubahan medan magnet disekitar kawat penghantar tersebut. Arus listrik yang terjadi disebut arus induksi atau arus imbas. Berikut ini ilustrasi terjadinya induksi elektromagnetik 9



Gambar 2.4 Gaya Gerak Listrik Induksi Sumber: Nurbaiti. 2015. Medan Magnet dan Induksi Elektromagnetik, [doc] a. Percobaan Faraday Sebuah kumparan yang kedua ujngnya dihubungkan dengan galvanometer digerakkan dalam medan magnet U. Selama kumparan tersebut bergerak dalam medan magnet jarum galvanometer menyimpang dari kedudukan seimbangnya, ini berarti pada kumparan terjadi arus listrik. Ketika kumparan digerakkan keluar medan magnet jarum juga menyimpang, ini berarti bahawa arus kedua berlawanan arah dengan gerakan pertama seperti yang terlihat pada gambar 2.4. Pada percobaan diatas dapat dikatakan bahwa pada ujung-ujung kumparan timbul gaya gerak listrik induksi (ggl = beda potensial). Gaya gerak listrik (GGL) induksi adalah energi (usaha) untuk memindahkan satu satuan muatan listrik yang dinyatakan sebagai berikut: 𝜀𝑖𝑛𝑑 = −𝐵 × 𝜄 × 𝜈 dimana: 𝜀𝑖𝑛𝑑 = gaya gerak listrik induksi (volt) l = panjang kawat konduktor (m) v = kecepatan gerak konduktor (m/dt) B = kuat medan magnet sekitar penghantar (Wb/m2) 10



b. Hukum Faraday Berdasarkan percobaan Faraday diketahui bahwa tegangan listrik yang diinduksikan oleh medan magnet bergantung pada tiga hal berikut: 1. Jumlah lilitan. Semakin banyak lilitan pada kumparan, semakin besar tegangan yang diinduksikan. 2. Kecepatan gerakan medan magnet. Semakin cepat garis gaya magnet yang mengenai konduktor, semakin besar tegangan induksi. 3. Jumlah garis gaya magnet. Semakin besar jumlah garis gaya magnet yang mengenai konduktor, semakin besar tegangan induksi. Bila kawat penghantar berupa kumparan dengan N lilitan, maka ggl induksi yang terjadi: 𝜀 = −𝑁

Δ𝜙 Δ𝑡

dimana: 𝜀 = ggl induksi (volt) N = jumlah lilitan  = t

cepat perubahan fluks (wb/s)

2.3 Generator Sinkron a. Pengertian Generator arus bolak-balik (AC) atau disebut dengan alternator adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik (gerak) menjadi energi listrik (elektrik) dengan perantara induksi medan magnet. Perubahan energi ini terjadi karena adanya perubahan medan magnet pada kumparan jangkar (tempat terbangkitnya tegangan pada generator). 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 pada generator sinkron terletak pada rotornya sedangkan kumparan jangkarnya terletak pada stator.

11



Gambar 2.5 Generator Sinkron Sumber: Anonim. 2015. Generator Sinkron 3 Fasa, [pdf].

b. Komponen Secara umum generator sinkron terdiri atas stator, rotor, dan celah udara. Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam sedangkan rotor adalah bagian yang berputar dimana diletakkan kumparan medan yang disuplai oleh arus searah dari Eksiter. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor.

Gambar 2.6 Konstruksi Generator Sinkron Sumber: Anonim. 2015. Generator Sinkron 3 Fasa, [pdf]. 12



1. Stator Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu:  Rangka Stator Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar generator.  Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetik khusus yang terpasang ke rangka stator.  Alur (slot) dan gigi Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup.  Kumparan Stator Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi. 2. Rotor Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu:  Slip ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke slip ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.  Kumparan rotor Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu.  Poros rotor Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros rotor tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.

13



c. Prinsip Kerja Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut: 1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap. 2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya. 3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan berikut : 𝑛𝑃

𝑓 = 120………….....…………………………………………………...(1.1) 𝐸 = 4,44 × 𝑓 × 𝜙 × 𝑇……………...…………………..……………...(1.2) 𝑃𝑛

𝐸 = 4,44 × 120 × 𝜙 × 𝑇………..…………………………………...…(1.3) Bila C adalah, 𝐶=

4,44 × 𝑝 × 𝑇 120

Maka E adalah, 𝐸 = 𝐶 × 𝑛 × 𝜙.…………………………………………...……….......(1.4) 𝐸 = 𝑉𝑡 + 𝑗𝑋𝑎𝑟 𝐼𝑎 + 𝑗𝑋𝑙𝑎 𝐼𝑎 + 𝑟𝑎 𝐼𝑎 .………………………...……….......(1.5) 𝐸 = 𝑉𝑡 + 𝑗𝑋𝑠 𝐼𝑎 + 𝑟𝑎 𝐼𝑎 .………………………......….............................(1.6) dimana, E = GGL induksi (Volt)

Vt = tegangan terminal (V)

n = putaran rotor (rpm)

Ia = arus jangkar (A) 14



f = Frekuensi

Xla = reaktansi bocor belitan jangkar

P = (jumlah pasang kutub)

Xa = reaktansi jangkar

T = Banyaknya lilitan perfase ra = tahanan jangkar 𝜙 = Fluksi (webber) 2.4 Sistem Eksitasi Eksitasi atau biasa disebut sistem penguatan adalah suatu perangkat yang memberikan arus penguat (If) kepada kumparan medan generator arus bolak-balik (alternating current) yang dijalankan dengan cara membangkitkan medan magnetnya dengan bantuan arus searah. Arus eksitasi adalah pemberian arus listrik pada kutub magnetik. Dengan mengatur besar kecilnya arus listrik tersebut kita dapat mengatur besar tegangan output generator atau dapat juga mengatur besar daya reaktif yang diinginkan pada generator yang sedang paralel dengan sistem jaringan besar (Infinite bus). Sistem eksitasi dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikat dan sistem eksitasi tanpa sikat. 1. Sistem Eksitasi menggunakan sikat Sistem eksitasi dengan menggunakan sikat terdiri dari: a. Sistem Eksitasi Statis Sistem eksitasi statik adalah sistem eksitasi generator dengan menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak, yang berarti bahwa peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama rotor generator sinkron. Sistem eksitasi ini disebut juga dengan self excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron dan sebagai gantinya sumber eksitasi berasal dari keluaran generator sinkron itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Awalnya pada rotor ada sedikit magnet yang tersisa, magnet yang 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 naik demikian seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan menggunakan AVR.

15



Gambar 2.7 Sistem Eksitasi Statis Sumber: Wirabuana, Cakra, dkk. 2010. Synchronous Motor. Departemen Teknik Elektro: Universitas Indonesia, [doc]. b. Sistem Eksitasi Dinamik Sistem Eksitasi dinamik adalah sistem eksitasi generator tersebut disuplai dari eksiter yang merupakan mesin bergerak. Sebagai eksiternya menggunakan generator DC atau dapat juga menggunakan generator AC yang kemudian disearahkan menggunakan rectifier. Slip ring digunakan untuk menyalurkan arus dari generator penguat pertama ke medan penguat generator penguat kedua.

Gambar 2.8 Sistem Eksitasi Dinamik Sumber: Wirabuana, Cakra, dkk. 2010. Synchronous Motor. Departemen Teknik Elektro: Universitas Indonesia, [doc]. 16



2. Sistem Eksitasi tanpa sikat Sistem eksitasi tanpa sikat sama sekali tidak bergantung pada sumber listrik eksternal, melainkan dengan menggunakan pilot exciter dan sistem penyaluran arus eksitasi ke rotor generator utama, maupun untuk eksitasi eksiter tanpa melalui media sikat arang. Pilot exciter terdiri dari sebuah generator arus bolak-balik dengan magnet permanen yang terpasang pada poros rotor dan kumparan tiga fasa pada stator. Adapun diagram prinsip kerjanya adalah sebagai berikut:

Gambar 2.9 Sistem Eksitasi Tanpa Sikat Sumber: https://ugmmagatrika.files.wordpress.com/2013/04/41.jpg

2.5 Jenis-Jenis Beban a. Beban Resistif Beban resistif dihasilkan oleh alat-alat listrik yang bersifat murni tahanan (resistor) seperti pada elemen pemanas dan lampu pijar. Beban resistif ini memiliki sifat yang pasif, dimana tidak mampu memproduksi energi listrik, dan justru menjadi konsumen energi listrik. Resistor bersifat menghalangi aliran elektron yang melewatinya dengan jalan menurunkan tegangan listrik yang mengalir, sehingga mengakibatkan terkonversinya energi listrik menjadi panas.

17



Dengan sifat demikian, resistor tidak akan merubah sifat-sifat listrik AC yang mengalirinya. Gelombang arus dan tegangan listrik yang melewati resistor akan selalu bersamaan membentuk bukit dan lembah. Dengan kata lain, beban resistif tidak akan menggeser posisi gelombang arus maupun tegangan listrik AC.

Gambar 2.10 Bentuk Gelombang Beban Resistif Sumber: http://artikel-teknologi.com/pengertian-beban-resistif-induktif-dan-kapasitifpada-jaringan-listrik-ac/2/

Pada grafik di atas, karena gelombang tegangan dan arus listrik berada pada fasa yang sama maka nilai dari daya listrik akan selalu positif. Inilah mengapa beban resistif murni akan selalu ditopang oleh 100% daya nyata. b. Beban Induktif Beban induktif dihasilkan oleh kumparan yang terdapat di berbagai alat-alat listrik seperti motor, trafo, dan relai. Kumparan dibutuhkan oleh alat-alat listrik tersebut untuk menciptakan medan magnet sebagai komponen kerjanya. Pembangkitan medan magnet pada kumparan inilah yang menjadi beban induktif pada rangkaian arus listrik AC. Kumparan memiliki sifat untuk menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa listrik AC memiliki nilai arus yang naik turun membentuk gelombang sinusoidal. Perubahan arus listrik yang naik turun inilah yang dihalangi oleh komponen kumparan di dalam sebuah rangkaian listrik AC. Terhalangnya perubahan arus listrik ini mengakibatkan arus listrik menjadi tertinggal beberapa derajat oleh tegangan listrik pada grafik sinusoidal arus dan tegangan listrik AC. 18



Gambar 2.11 Bentuk Gelombang Beban Induktif Sumber: http://artikel-teknologi.com/pengertian-beban-resistif-induktif-dan-kapasitifpada-jaringan-listrik-ac/2/

Dari gambar tersebut diketahui bahwa jika sebuah sumber listrik AC diberi beban induktif murni, maka gelombang arus listrik akan tertinggal sejauh 90° oleh gelombang tegangan. Atas dasar inilah beban induktif dikenal dengan istilah beban lagging atau arus tertinggal tegangan. c. Beban Kapasitif Beban kapasitif merupakan kebalikan dari beban induktif. Jika beban induktif menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik AC, maka beban kapasitif bersifat menghalangi terjadinya perubahan nilai tegangan listrik. Sifat ini menunjukkan bahwa kapasitor bersifat seakan-akan menyimpan tegangan listrik sesaat. Ketika mendapatkan suplai tegangan AC, maka kapasitor akan menyimpan dan melepaskan tegangan listrik sesuai dengan perubahan tegangan masuknya. Fenomena inilah yang mengakibatkan gelombang arus AC akan mendahului (leading) tegangannya sejauh 90°. Gambar di bawah adalah gelombang sinusoidal tegangan dan arus listrik AC pada beban kapasitor murni. Nampak jika kita plot daya listrik yang dibutuhkan untuk menanggung beban kapasitor juga berbentuk sinusoidal. Daya listrik bernilai positif (daya diserap

19



kapasitor) pada setengah pertama gelombang sinusoidal daya, serta negatif (daya dikeluarkan kapasitor) pada setengah gelombang kedua.

Gambar 2.12 Bentuk Gelombang Beban Kapasitif Sumber: http://artikel-teknologi.com/pengertian-beban-resistif-induktif-dan-kapasitifpada-jaringan-listrik-ac/2/

20



BAB III SISTEM EKSITASI PLTA CIRATA UNIT 2 3.1 Skematik Sistem Eksitasi Sistem eksitasi berfungsi untuk menyediakan arus yang dibutuhkan oleh kumparan medan pada generator sinkron untuk menghasilkan tegangan terminal. Berikut ini diagram blok dari sebuah sistem eksitasi:

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Eksitasi Sumber: IEEE Committee report. 1981. Excitation system models for power system stability studies. IEEE Trans.  Eksiter Eksiter merupak penghasil arus eksitasi, terdapat 3 jenis eksiter yakni eksiter DC, eksiter AC dan eksiter statis.  Voltage Tranduscers Voltage tranduser berfungsi untuk mengukur tegangan terminal 3 phasa yang melalui potential transformers dan mengubah dan menfilternya menjadi tegangan DC yang akan dibandingkan dengan tegangan referensinya. Sinyal eror yang terdeteksi oleh voltage tranduscers digunakan untuk menggontrol besarnya arus eksitasi yang diberikan oleh sistem eksitasi kepada belitan medan pada generator.  Voltage Regulator Voltage regulator akan memperjelas sinyal eror yang dihasilkan oleh voltage tranduscer dan output dari voltage regulator digunakan untuk mengatur pilot eksitasi. 21



 Limiting and Protecting Circuit Limiting and protecting circuit digunakan untuk membatasi besarnya arus belitan medan pada generator dari over excitation, under excitation dan mengatur tegangan terminal generator.  Rate Feedback Rate feedback berfungsi untuk menstabilkan sistem eksitasi.  Power System Stabilizer Power system stabilizer berfungsi untuk mengatasi osilasi pada sistem tenaga untuk sistem eksitasi. 3.2 Pengaturan Sistem Eksitasi Dalam Kondisis Berbeban Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang mengalir melalui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar Ia akan mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian dikenal sebagai reaksi jangkar. Pengaruh yang ditimbulkan oleh fluksi jangkar dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung kepada beban dan faktor daya beban, yaitu: a. Beban Resistif Untuk beban resistif (Cos 𝜑 = 1), pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas mendistorsinya saja tanpa mempengaruhi kekuatannya (cross magnetising). Pada beban resistif, fluksi medan dari arus eksitasi hanya mempengaruhi terhadap besanya tegangan terminal dari generator. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, beban resisitif hanya mengkonsumsi daya nyata saja. Sehingga ketika generator dibebani dengan beban resistif, maka tegangan terminal generator dan putaran prime mover akan menurun, untuk menjaga agar tegangan terminal generator tetap pada tegangan jaringan interkoneksi, maka dapat diatasi dengan memperbesar fluksi medan dengan cara menambah besarnya arus eksitasi yang diinjeksikan ke kumparan medan dan memperbesar bukaan inlet valve air. 22



b. Beban Induktif Untuk beban induktif murni (Cos 𝜑 = 0 lag ), maka arus akan tertinggal sebesar 90o dari tegangan. Hal ini menyebabkan fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan demagnetising artinya pengaruh raksi jangkar akan melemahkan fluksi arus medan. Seperti yang diketahui, bahwa beban induktif hanya mengkonsumsi daya reaktif saja. Oleh karenanya pada pembangkit, untuk meningkatkan besarnya daya reaktif (MVAR) yang dibangkitkan, dapat dilakukan dengan cara memperkuat fluksi medan yakni menambah besarnya arus eksitasi yang diinjeksikan ke kumparan medan. c. Beban Kapasitif Untuk beban kapasitif murni (Cos 𝜑 = 0 lead ), maka arus akan mendahului tegangan sebesar 90o. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar yang terjadi akan magnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus medan. Dengan terjadinya penguatan fluksi medan di kumparan medan generator, maka akan terjadinya kenaikan tegangan terminal generator. Untuk menjaga agar tegangan terminal generator ini sama dengan tegangan jaringan interkoneksi, maka arus eksitasi yang diinjeksikan ke kumparan medan di rotor akan dikurangi. Sehingga dengan naiknya pemakaian beban kapasitif, maka arus eksitasi yang diinjeksikan ke rotor pada generator akan semakin dikurangi. 3.3 Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 Seperti yang telah diketahui, bahwa generator yang digunakan pada PLTA Cirata unit 2 tidak menggunakan magnet permanen, maka medan magnet yang digunakan untuk membangkitkan tegangan induksi dihasilkan dengan cara menginjeksikan arus DC pada kumparan medan yang terdapat pada rotor di generator tersebut melalui slip ring dan carbon brush. PLTA Cirata Unit 2 ini memiliki tipe sistem eksitasi statis, yakni arus eksitasi berasal dari tegangan keluaran dari generator itu sendiri yang telah diturunkan dan disearahkan dari tegangan AC 3 fasa menjadi sistem tegangan DC. Berikut ini sistem eksitasi PLTA Cirata Unit 2: 23



Gambar 3.2 Single Line Diagram Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 1993. Generator and Indoor Electrical Equipment. Elin.LTD 24



Peralatan utama yang digunakan pada sistem eksitasi PLTA Cirata Unit 2 adalah sebagai berikut: 1. Generator 2. Excitation Transformer 3. Thyristor Rectifier 4. Battery 5. Battery Charger 6. Regulator dan Gate Control 7. Field Discharge Device 8. Ventilation Unit 9. Polarity Reverse Link 10. Over Voltage Protection Pada prosesnya, tegangan keluaran yang dihasilkan oleh generator PLTA Cirata Unit 2 adalah tegangan AC 16,5 kV 3 fasa. Kemudian tegangan ini diturunkan menggunakan trafo step down eksitasi menjadi 380 VAC 3 fasa, selanjutnya tegangan 3 fasa 380 VAC ini disearahkan oleh converter AC to DC menggunakan rectifier sehingga dihasilkan tegangan DC 110 volt. Tegangan 110 VDC ini akan diinjeksikan ke kumparan medan dirotor melalui carbon brush dan slip ring untuk membangkitkan medan magnet pada rotor. Untuk kondisi start awal dimana generator belum mampu menghasilkan tegangan keluaran, maka sistem eksitasi untuk generator dilakukan dengan menggunakan battery. Battery yang digunakan memiliki tegangan 2 V dan arus 800 Ah tiap unitnya. Battery ini tersusun secara seri sebanyak 55 unit battery yang terletak di station battery, sehingga dihasilkan tegangan 110 V dengan arus 800 Ah. Selain itu pada station battery juga terdapat 55 unit battery lainnya yang terhubung secara seri, yang diparalelkan dengan 55 battery pertama dengan tegangan dan arus yang sama. 55 battery kedua ini difungsikan sebagai redudant, yakni battery tersebut pada posisi standby dan bekerja untuk membantu apabila 55 battery pertama sebagai suplai utama mengalami kegagalan serta tidak mampu atau kekurangan daya dalam mencatu arus eksitasi ke kumparan medan dirotor. Ketika generator telah mampu menghasilkan 20% dari arus beban nol, maka suplai eksitasi dari battery secara otomatis akan terputus (change over) dan eksitasi akan dicatu daya oleh tegangan keluaran generator itu sendiri selama operasi pembangkitan dilakukan.

25



3.4 Spesifikasi Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 1. Sistem Eksitasi Sistem eksitasi PLTA Cirata Unit 2 menggunakan sistem eksitasi dengan jenis static excitation, yakni sumber arus aksitasi yang digunakan diambil dari keluaran generator itu sendiri. Berikut ini spesifikasi sistem eksitasi yang digunakan pada PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.3 Spesifikasi Sistem Eksitasi Generator PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 2. Generator Generator ini berfungsi untuk menghasilkan daya listrik untuk konsumen yang ditransmisikan ke jaringan interkoneksi Jawa-Madura-Bali (JAMALI), pemakaian sendiri dan mencatu daya sistem eksitasi generator itu sendiri. PLTA Cirata Unit 2 menggunakan generator sinkron 3 fasa buatan pabrikan Elin, Austria. Berikut ini spesifikasi generator sinkron yang digunakan pada PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.4 Spesifikasi Generator PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 26



3. Battery Battery berfungsi sebagai sumber catu daya sistem eksitasi pada saat starting awal. Dimana generator belum mampu menghasilkan tegangan untuk sistem eksitasi sendiri. Berikut ini spesifikasi battery yang digunakan di PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.5 Spesifikasi Battery Sistem Eksitasi PLTA Cirata unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 4. Excitation Transformer Excitation Transformer yang digunakan oleh PLTA Cirata Unit 2 buatan pabrikan Elin. Excitation Transformer ini berfungsi untuk menurunkan tegangan keluaran generator dari 16,5 kV menjadi 380 V. Berikut ini spesifikasi Excitation Transformer yang digunakan:

Gambar 3.6 Spesifikasi Trafo Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 27



5. Thyristor Rectifier Thyristor Rectifier yang digunakan di PLTA Cirata Unit 2 buatan pabrikan Elin. Thyristor Rectifier berfungsi untuk menyearahkan tegangan 3 fasa keluaran dari trafo eksitasi dari 380 VAC menjadi 110 VDC. Tegangan 110 VDC inilah yang digunakan sebagai sumber arus eksitasi pada generator tersebut. Berikut ini spesifikasi Thyristor Rectifier yang digunakan di PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.7 Spesifikasi Thyristor Rectifier PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 6. Field Discharge Device Field Discharge Device merupakan peralatan pengaman (circuit breaker) yang dilengkapi dengan gas pemadam busur api yakni gas SF6. Field Discharge Device terdiri atas 2 main contact dan sebuah overlapping discherge contact. Peralatan ini akan memutus suplai arus eksitasi ke rotor pada saat terjadi gangguan. Berikut ini spesifikasi Field Discharge Device yang digunakan di PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.8 Spesifikasi Field Discharge Device PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 28



7. Ventilation Unit Ventilation Unit terdiri atas 2 unit fan yang dicatu daya secara langsung oleh keluaran rectifier. Ventilation Unit merupakan peralat bantu yang berfungsi sebagai pendingin sistem eksitasi. Arus yang besar menyebabkan panas yang tinggi, sehingga dapat merusak peralatan sistem eksitasi. Berikut ini spesifikasi Ventilation Unit yang digunakan di PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.9 Spesifikasi Ventilation Unit PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 8. Over Voltage Protection Over Voltage Protection merupakan peralatan pengaman yang berfungsi untuk memproteksi sistem eksitasi dari tegangan lebih (Over Voltage). Alat ini digunakan di Bus AC dan DC. Di Bus AC berfungsi untuk membatasi besarnya tegangan puncak, sedangkan di Bus DC berguna untuk melindungi rectifier dan kumparan medan dari tegangan lebih. Berikut ini spesifikasi Over Voltage Protection yang digunakan di PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.10 Spesifikasi Over Voltage Protection PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro 29



9. Field Flashing Field Flashing adalah proses catu daya sistem eksitasi dilakukan oleh battery pada saat generator belum mampu menghasilkan tegangan keluaran sendiri. Ketika generator sudah mampu menghasilkan 5% dari tegangan nominalnya, maka thyristor mulai beroperasi. Kemudian ketika arus eksitasi pada Bus-AC telah mencapai 20% dari arus eksitasi beban nol generator, maka suplai eksitasi dari battery akan terputus dan akan di change over oleh keluaran dari generator itu sendiri. Berikut ini spesifikasi Field Flashing dari di PLTA Cirata Unit 2:

Gambar 3.11 Spesifikasi Field Flashing PLTA Cirata Unit 2 Sumber: 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro

30



BAB IV ANALISIS DATA 4.1 Cara Kerja Sistem Eksitasi PLTA Cirata Unit 2 Pada bab sebelumnya, telah dijelaskan bahwa sistem eksitasi pada generator PLTA Cirata Unit 2 ini merupakan jenis sistem eksitasi statik, dimana sumber eksitasi berasal dari keluaran generator sinkron itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Namun, pada saat strating awal dimana generator belum mampu menghasilkan tegangan, maka energi yang digunakan untuk sistem eksitasi diambil dari battery yang terletak di station battery, proses ini disebut dengan field flashing. Besarnya arus yang diinjeksikan ke rotor generator oleh battery saat proses field flashing ini adalah 125 A DC. Dengan adanya arus inisial eksitasi ini maka generator akan menghasilkan tegangan keluaran. Pada saat tegangan keluaran generator telah mencapai 5% dari tegangan nominalnya sebesar 16,5 kV maka thyristor mulai beroperasi dan menaikkan tegangan hingga nilai nominalnya. Kemudian ketika arus eksitasi yang tersedia pada pada Bus AC telah mencapai 20% dari arus eksitasi tanpa beban, maka contactor yang menghubungkan antara battery dengan rotor generator akan terbuka, sehingga sistem eksitasi sekarang dicatu daya oleh tegangan keluaran dari generator itu sendiri. Besarnya arus eksitasi pada saat beban nol dari generator ini adalah sebesar 998 A DC. Seperti yang diketahui bahwa tegangan keluaran dari generator adalah tegangan AC 3 fasa 16,5 kV, sedangkan sistem eksitasi menggunakan tegangan DC 110 V, maka diperlukan trafo step down dan converter agar tegangan keluaran generator ini dapat digunakan untuk mencatu sistem eksitasi. Tegangan keluaran generator akan diturunkan menggunakan trafo eksitasi dari 16,5 kV menjadi 380 V 3 fasa AC, kemudian tegangan ini diubah menjadi tegangan DC 110 V menggunakan thyristor rectifier, selanjutnya tegangan ini baru dapat digunakan untuk mencatu daya sistem eksitasi pada generator tersebut. Kemudian untuk pengaturan besarnya arus eksitasi yang diinjeksikan ke rotor pada generator akan diatur oleh automatic voltage regulator (AVR). AVR ini akan mengontrol proses switching sistem eksitasi dengan cara mengatur besarnya tegangan atau arus yang diinjeksikan pada terminal gate di SCR atau thyristor. Pada saat kaki gate diberi tegangan positif, maka SCR akan menghantarkan arus listrik dari anoda ke katoda dari SCR tersebut, 31



sehingga arus eksitasi akan diteruskan ke kumparan medan pada rotor. Bagian AVR yang mengontrol besarnya tegangan atau arus yang diinjeksikan ke terminal gate pada SCR adalah Gate Control Unit. Pengaturan switching arus eksitasi yang dilakukan oleh AVR ini akan disesuaikan dengan proses pembebanan yang berlangsung pada generator tersebut. 4.2 Pengaruh Arus Eksitasi Generator Terhadap Pembebanan Pada bab pendahuluan, telah dipaparkan bahwa penulisan karya tulis ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pembebanan terhadap pengaturan arus eksitasi yang diinjeksikan ke rotor generator. Berikut ini adalah data operasi harian yang meliputi data pembebanan dan arus eksitasi PLTA Cirata Unit 2 pada Selasa, 4 Agustus 2015: VOUT.GEN (KV) 15,9 16,4 16 16,1 16,5 16,2 16,3 15,8

IR (A) 2200 2405 2800 3048 2953 3240 3468 4120

IS IT Cos Pbeban Q (A) (A) IRata (A) phi (MW) (MVAR) 2110 2230 2180,00 0,9 56,00 20 2285 2350 2346,67 0,9 59,50 29,5 2730 2770 2766,67 0,9 67,00 41 2963 3028 3012,50 0,9 73,50 39,75 2863 2917 2911,11 0,9 73,33 37 3140 3213 3197,78 0,9 80,33 40 3668 3435 3523,33 0,9 88,75 37,25 4040 4120 4093,33 0,9 105,00 40 Tabel 4.1 Data Operasi Harian PLTA Cirata Unit 2

IF (A) 830,0 1174,0 1227,0 1243,0 1255,0 1275,3 1288,0 1313,0

Dari data tersebut data tersebut dapat diketahui arus eksitasi terendah yang diinjeksikan ke kumparan medan di rotor adalah 830 A untuk daya beban sebesar 56 MW dan tertinggi sebesar 1313 A ketika daya beban 105 MW. Arus eksitasi maksimal yang mampu dicapai adalah sebesar 1588 A untuk beban penuh sebesar 126 MW. Bila dibandingkan antara arus eksitasi pada daya beban 105 MW dengan arus eksitasi pada beban penuh yang dapat dibangkitkan oleh generator, maka didapatkan nilai sebesar 82,6%. Nilai ini menunjukkan pada saat pembebanan yang dilakukan adalah sebesar 83,3% dari beban penuh (105 MW dari 126 MW), maka arus eksitasi yang diinjeksikan adalah 82,6% dari arus eksitasi beban penuhnya. Bila dikaitkan dengan persamaan sebelumnya, dimana persentasi pembebanan dan arus eksitasi seharusnya sama, yakni pada pembebeban 83.3% dari beban penuh, seharusnya arus eksitasinya sebesar 83,3% juga, namun pada PLTA Cirata Unit 2 hanya 82,6%. Hal ini dikarenakan arus maksimal 1588 A tersebut tidak hanya digunakan untuk membangkitkan 32



daya aktif saja, tetapi juga untuk membangkitkan daya reaktif, sehingga arus eksitasi maksimal 1588 A tersebut tidak hanya digunakan untuk membangkitkan daya sebasar 126 MW. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa sistem eksitasi di PLTA Cirata Unit 2 telah bekerja secara optimal. Selain itu, dari data tersebut dapat dibahas beberapa hal, yakni: 1. Pengaruh Pembebanan terhadap Tegangan Terminal generator Dari data diatas dapat diketahui bahwa dengan terjadinya perubahan beban, tegangan terminal generator juga akan ikut berubah. Ketika beban naik, maka yang terjadi adalah tegangan jaringan akan turun dan membuat tegangan terminal generator juga menjadi turun sehingga memaksa generator untuk menaikkan tegangan terminal generator agar tetap dalam kondisi nominalnya yakni 16,5 KV. Tegangan terminal generator ini dapat dijaga pada kondisi nominalnya dengan cara menambah besarnya arus eksitasi yang diinjeksikan ke rotor generator. Sedangkan pada saat terjadi penurunan beban, tegangan pada jaringan akan cenderung naik, dan tegangan teminal generator juga akan naik melebihi tegangan nominalnya. Untuk menjaga agar tegangan terminal tetap pada kondisi nominalnya maka besarnya arus eksitasi yang diinjeksikan pada rotor generator harus dikurangi. Hal ini dibuktikan pada grafik tegangan terminal terhadap arus eksitasi dan pengaruh pembebanan terhadap tegangan terminal berikut:

VOUT.GEN (KV)

Pengaruh Pembebanan terhadap Tegangan Terminal Generator 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

PBEBAN (MW)

Gambar 4.1 Grafik Pembebanan terhadap Tegangan Terminal

33



2. Pengaruh Pembebanan terhadap Arus Eksitasi Pada dasarnya tegangan terminal dan arus eksitasi memiliki hubungan yang saling berkaitan terhadap pembebanan. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, ketika pembebanan naik, maka tegangan jaringan dan tegangan terminal generator akan turun. Oleh karenanya dibutuhkan penambahan arus eksitasi untuk menjaga tegangan terminal generator tetap pada kondisi nominalnya. Berikut ini grafik pengaruh pembebanan terhadap arus eksitasi: Pengaruh Pembeban Terhadap Arus Eksitasi 1600,0 1400,0 1200,0

IF (A)

1000,0 800,0 600,0

400,0 200,0 0,0 0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

PBEBAN (MW)

Gambar 4.2 Grafik Pembebanan terhadap Arus Eksitasi

Pada bab dasar teori telah dijelaskan bahwa tegangan terminal secara matematis dituliskan sebagai berikut : 𝑉𝑡 = 𝐸 − 𝑗𝑋𝑠 𝐼𝑎 − 𝑟𝑎 𝐼𝑎 .......(1) 𝐸 = 𝑐 𝑛 𝜙(𝐼𝐹 )....................(2) 𝑃𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 = 𝑉𝑡 𝐼 cos 𝜑 √3.....(3) Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa tegangan terminal (Vt) yang dibangkitkan akan berbanding lurus dengan ggl induksi (E). Karena putaran dijaga kontan untuk menjaga frekuensi tetap 50 Hz, maka pengaturan besarnya ggl induksi yang dibangkitkan hanya dipengaruhi oleh fluksi (𝜙) yang dihasilkan oleh arus eksitasi (IF). Sehingga diperoleh hubungan berikut: 𝑃𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 ≈ 𝐸 ≈ 𝑉𝑡 ≈ 𝐼𝐹 34



Sehingga semakin besar pembebanan yang dilakukan maka arus eksitasi yang diinjeksikan ke rotor pada generator juga akan semakin besar .

30

1400,0

25

1200,0 1000,0

20

800,0

IF (A)

VOUT.GEN (KV)

Grafik Pengaruh Pembebanan terhadap Tegangan Terminal dan Arus Eksitasi

15

600,0 10

400,0

5

200,0

0 0,00

20,00

40,00

60,00

Pbeban (MW)

80,00

0,0 100,00 120,00 PBEBAN VS VOUT.GEN PBEBAN VS IF

Gambar 4.3 Grafik Pembebanan terhadap Tegangan Terminal dan Arus Eksitasi

35



BAB V PENUTUP 5.1 Simpulan Dari pembahasan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal, yakni: 1.

Jenis sistem eksitasi pada generator PLTA Cirata Unit 2 adalah sistem eksitasi statis dengan catu daya saat starting menggunakan battery.

2.

Sistem eksitasi pada generator PLTA Cirata Unit 2 telah bekerja secara optimal.

3.

Besarnya arus eksitasi maksimum yang dapat diinjeksikan ke kumparan medan rotor adalah sebesar 1588 A.

4.

Semakin besar pembebanan, maka tegangan terminal pada generator akan semakin turun.

5.

Pengaturan tegangan terminal generator saat berbeban dapat dilakukan dengan arus eksitasi.

6.

Semakin besar pembebanan pada generator, maka arus eksitasi yang diinjeksikan akan semakin besar.

5.2 Saran Untuk menjaga agar sistem eksitasi genertaor PLTA Cirata Unit 2 tetap bekerja dalam kondisi optimal, hendaknya pada saat Preventive Maintenance (PM) sedang berlangsung, memeriksa sistem penyearahan dan kondisi baut-baut terminal penyearahan, membersihkan kontaminasi akibat debu, oli, grease dan material yang lengket yang terdapat pada slipring dan carbon brush serta bagian generator yang berhubungan secara listrik agar tidak terjadi kegagalan kontak listrik.

36



DAFTAR PUSTAKA

[1]. Anonim. 2008. Cirata Excitation System Operation and Maintenance Manual. VA Tech Hydro [2]. Basu, Swapan and Ajay Kumar Debnath. 2015. Power Plant Instrumentation and Control Handbook. Academic Press: London , UK [3]. Boldea Ion. 2006. The Electric Generator Synchronous Generators. Taylor and francis group: New York [4]. Anonim. 2015. Generator Sinkron 3 Fasa, [pdf]. (http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/20111/3/Chapter%20II.pdf, diakses tanggal 12 Agustus 2015) [5]. Anthony, Zuriman.2015. Generator Sinkron, [pdf]. (http://sisfo.itp.ac.id/bahanajar/BahanAjar/ZurimanAnthony/Mesin%20Listrik%20AC /Bab%20I.pdf, diakses tanggal 13 Agustus 2015). [6]. Nurbaiti. 2015. Medan Magnet dan Induksi Elektromagnetik, [doc]. (https://baitbaiti.files.wordpress.com/2009/09/medan-magnet-dan-induksielektromagnetik.doc, diakses tanggal 18 Agustus 2015) [7]. Suryadiningrat, Rian. 2013. Pengoperasian Turbin Generator PLTA Besar dan Pengoperasian Sistem Penunjang PLTA Besar. UP.Cirata:PT.PJB, Purwakarta

vi

LAMPIRAN

Gambar 5.1 Wiring Diagram Rotor Generator

Gambar 5.2 Wiring Diagram Excitation Flashing

Gambar 5.3 Wiring Diagram Excitation Rectifier vii

Gambar 5.4 Wiring Diagram Excitation Transformer viii

Analisa Pengaruh Arus Eksitasi trhadap Pembebanan di PLTA Cirata Unit 2

Recommend Documents