1
1
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang Masalah
Di era modern seperti sekarang, listrik merupakan salah satu kebutuhan yang pokok bagi kehidupan. Banyak daerah-daerah terpencil di Indonesia yang belum mendapat pasokan energi listrik untuk kehidupan sehari-hari. Keterbatasan pasokan listrik ini disebabkan penggunaan listrik yang berlebihan dalam kehidupan sehari-hari baik itu di rumah tangga, perusahaan maupun industri. Untuk menanggulangi keterbatasan pasokan listrik ini, maka banyak didirikan pembangkit-pembangkit listrik di Indonesia, salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Pembangkit listrik ini (PLTD) biasanya menggunakan bahan bakar minyak bumi. Sistem penggerak yang digunakan tanpa generator. Listrik yang dihasilkan dari pembangkit ini mengalami proses siklus energi, yaitu dari bahan bakar (minyak bumi) menjadi energi magnet, kemudian baru menghasilkan energi listrik. Energi arus panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar (minyak bumi), diubah menjadi energi mekanikal yang dapat menggerakan atau memutar generator.
Ada beberapa faktor yang dapat di jadikan pertimbangan dalam suatu siklus energi, seperti halnya jenis sumber energi yang akan dipakai dalam proses pembakaran, dan juga jenis mesin yang akan digunakan pada proses ini, apakah itu boiler uap atau motor diesel.
Namun di sisi lain, dengan perkembangan konsumen yang semakin meningkat, kebutuhan akan tenaga listrik setiap hari juga semakin meningkat. Tenaga listrik yang dibutuhkan oleh konsumen setiap harinya tidak tetap. Hal ini akan menyebabkan beban yang diterima oleh generator akan berubah-ubah sehingga akan mempengaruhi system ketenaga listrikannya sendiri. Generator adalah salah satu jenis mesin listrik yang digunakan sebagai alat pembangkit energi listrik dengan cara menkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik. Untuk mendapatkan tegangan terminal generator yang konstan, maka arus jangkar dan sudut daya harus tetap pula. Besarnya perubahan beban yang dapat ditanggung generator perlu diketahui yang disesuaikan dengan kemampuan generator sehingga kestabilan generator dapat dijaga. Pembangkitan GGL induksi pada generator sinkron membutuhkan arus penguatan (eksitasi) untuk menimbulkan fluksi magnetik pada kutub-kutub medan generator yang terletak pada rotor. Sistem penguatan (excitation) menentukan kestabilan tegangan yang dihasilkan oleh generator.
Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah yang didapat dari latar belakang diatas adalah:
Gambaran umum dari PLTD
Pengaruh perubahan beban terhadap karakteristik generator sinkron pada PLTD.
Tujuan Makalah
Adapun tujuan penulisan makalah ini adalah :
Mengetahui gambaran umum tentang sistem PLTD
Dapat mengetahui gambaran kinerja generator sinkron tiga phasa terhadap perubahan beban daya aktif.
Dapat mengetahui batas aman kerja generator sinkron tiga phasa.
Manfaat Makalah
Adapun manfaat dari penulisan ini adalah sebagai berikut :
Manfaat Teoritis :
Makalah ini di harapkan mampu memberikan sumbangan teoritis terkait Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) pada mahasiswa maupun khalayak umum yang berkecimpung dalam bidang listrik khususnya pada konsentrasi Listrik Tenaga agar lebih memahami Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD).
Manfaat Praktis
Dapat mengetahui gambaran umum dari sistem PLTD
Mahasiswa dapat mengetahui gambaran kinerja generator sinkron tiga phasa terhadap perubahan beban daya aktif.
Mahasiswa dapat mengetahui batas aman kerja generator sinkron tiga phasa.
BAB II
LANDASAN TEORI
GAMBARAN UMUM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA DIESEL (PLTD)
Pengertian PLTD
Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) adalah pembangkit listrik yang menggunakan mesin diesel sebagai penggerak pemula (Prime Mover). Prime mover merupakan alat yang mempunyai fungsi menghasilkan energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. PLTD merupakan suatu instalasi pembangkit listrik yang terdiri dari suatu unit pembangkit (SPD) dan sarana pembangkitan. Mesin Diesel adalah penggerak utama untuk mendapatkan energi listrik yang kemudian dikeluarkan oleh Generator . Pada mesin Diesel Energi Bahan bakar diubah menjadi energi mekanik dengan proses pembakaran di dalam mesin itu sendiri. Mesin Diesel pada saat ini sudah banyak mengalami perkembangan dalam pemakaian untuk angkutan darat dan laut, kemudian pembangkitan dalam daya kecil dan menengah bahkan sampai daya besar sudah ada yang menggunakannya. Unit PLTD adalah kesatuan peralatan-peralatan utama dan alat-alat bantu serta perlengkapannya yang tersusun dalam hubungan kerja, membentuk sistem untuk mengubah energi yang terkandung didalam bahan bakar minyak menjadi tenaga mekanis dengan menggunakan mesin diesel sebagai penggerak utamanya dan seterusnya tenaga mekanis tersebut diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. PLTD mempunyai ukuran mulai dari 40 kW sampai puluhan MW. Jika perkembangan pemakaian tenaga listrik telah melebihi 100 MW, penyediaan listrik yang menggunakan PLTD tidak lagi ekonomis sehingga harus di bangun pusat listrik lain. Untuk melayani beban PLTD dengan kapasitas di atas 100 MW akan tidak ekonomis karena unitnya menjadi banyak, mengingat unit PLTD yang terbesar di pasaran sekitar 12,5 MW. Unit-unit pembangkit diesel di pasaran umumnya mempunyai putaran (untuk frekuensi 50 Hertz) dari 300 putaran per menit sampai dengan 1.500 putaran per menit (ppm). Dengan memperhatikan buku petunjuk pabrik, mesin-mesin yang mempunyai nilai ppm rendah, sampai dengan 500 ppm, dapat menggunakan bahan bakar minyak (BBM) kualitas No. 2 yaitu Intermediate Diesel Oil (IDO) dan kualitas No. 3 yaitu Marine Fuel Oil (MFO). Jika memakai MFO harus di panaskan terlebih dahulu agar tercapai viskositas yang cukup rendah. Apabila menggunakan IDO, maka tidak perlu pemanansan terlebih dahulu.
Jenis-jenis mesin diesel
Mesin diesel 2 langkah
Mesin diesel 2 langkah adalah mesin yang setiap langkahnya terjadi satu kali langkah bertenaga dengan dorongan gas hasil ledakan/pembakaran. Secara teoritis mesin 2 Langkah dengan dimensi dan jumlah putaran per detik yang sama seperti pada mesin 4 langkah, maka mesin 2 langkah ini akan menghasilkan daya 2 kali lebih besar. Namun dalam praktik, angka 2 kali lebih besar untuk daya yang di dapat pada mesin diesel 2 langkah tidak tercapai (hanya sekitar 1,8 kali). Hal ini disebabkan karena pembilasan ruang bakar silinder mesin diesel 2 langkah tidak sebersih pada mesin diesel 4 langkah sehingga proses pembakarannya tidak sempurna seperti pada mesin diesel 4 langkah. Maka efisiensi mesin 2 langkah ini tidak sebaik efisiensi pada mesin diesel 4 langkah.Pada pemakaian bensinnya pun lebih boraos dibanding mesin diesel 4 langkah. Mesin 2 langkah ini biasanya lebih cocok digunakan pada keperluan yang memerlukan penghematan ruangan, seperti pada lokomotif kereta api atau pada kapal laut.
Mesin diesel 4 langkah
Mesin diesel 4 langkah merupakan mesin yang setiap 4 langkah terjadi satu kali langkah bertenaga dengan dorongan gas hasil pembakaran/ledakan. Atau dengan kata lain prinsip kerja mesin diesel 4 langkah adalah proses kerja mesin untuk menghasilkan 1 kali pembakaran (usaha/kerja) torak bergerak 4 kali. Gerakan torak yang menghasilkan kerja atau usaha berlangsung secara berurutan dan terus menerus maka kegiatan untu menghasilkan kerja/usaha tersebut disebut siklus. Proses pembakaran pada mesin diesel 4 langkah lebih sempurna daripada mesin 2 langkah, karena pada proses pembilasan ruang bakar di silinder mesinnya bersih. Pada mesin diesel 4 langkah pemakaian bahan bakarnya lebih hemat dan masalah ruangan pun tidak menjadi soal.
Prinsip kerja PLTD
Bahan bakar didalam tangki penyimpanan bahan bakar dipompakan kedalam tanki penyimpanan sementara namun sebelumnya disaring terlebih dahulu. Kemudian disimpan didalam tangki penyimpanan sementara (daily tank). Jika bahan bakar adalah bahan bakar minyak (BBM) maka bahan bakar dari daily tank dipompakan ke Pengabut (nozzel), disini bahan bakar dinaikan temperaturnya hingga manjadi kabut. Sedangkan jika bahan bakar adalah bahan bakar gas (BBG) maka dari dari daily tank dipompakan ke convertion kit (pengatur tekanan gas) untuk diatur tekanannya.
Menggunakan kompresor udara bersih dimasukan kedalam tangki udara start melalui saluran masuk (intake manifold) kemudian dialirkan ke turbocharger. Didalam turbocharger tekanan dan temperatur udara dinaikan terlebih dahulu. Udara yang dialirkan pada umumnya sebesar 500 psi dengan suhu mencapai ±600°C.
Udara yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dimasukan kedalam ruang bakar (combustion chamber).
Bahan bakar dari convertion kit (untuk BBG) atau nozzel (untuk BBM) kemudian diinjeksikan kedalam ruang bakar (combustion chamber)
Didalam mesin diesel terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan udara murni yang dimanfaatkan di dalam silinder pada tekanan yang tinggi (35 – 50 atm), sehingga temperatur di dalam silinder naik. Dan pada saat itu bahan bakar disemprotkan dalam silinder yang bertemperatur dan bertekanan tinggi melebihi titik nyala bahan bakar sehingga akan enyala secara otomatis yang menimbulkan ledakan bahan bakar.
Ledakan pada ruang bakar tersebut menggerak torak/piston yang kemudian pada poros engkol dirubah menjadi energi mekanis. Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akandiubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi.
Poros engkol mesin diesel digunakan untuk menggerakan poros rotor generator. Oleh generator energi mekanis ini dirubah menjadi energi listrik sehingga terjadi gaya geral listrik (ggl).
Tegangan yang dihasilkan generator dinaikan tegangannya menggunakan trafo step up agar energi listrik yang dihasilkan sampai kebeban.Prinsip kerja trafo berdasarkan hukum ampere dan hukum faraday yaitu arus listrik dapat menimbulkan medan magnet dan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Jika pada salah satu sisi kumparan pada trafo dialiri arus bolak-balik maka timbul garis gaya magnet berubah-ubah pada kumparan terjadi induksi. Kumparan sekunder satu inti dengan kumparan primer akan menerima garis gaya magnet dari primer yang besarnya berubah-ubah pula, maka di sisi sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung kumparan terdapat beda tegangan.
Menggunakan saluran transmisi energi listrik dihasilkan dikirim kebeban. Disisi beban tegangan listrik diturunkan kembali menggunakan trafo step down (jumlah lilitan sisi primer lebih banyak dari jumlah lilitan sisi sekunder).
Kelebihan dan Kekurangan PLTD
Kelebihan PLTD
Sistem bahan bakar sederhana.
Bisa ditempatkan dekat dengan pusat beban.
Bisa distart dengan mudah dan cepat dan dibebani dalam waktu singkat.
Tidak memerlukan air pendingin yang banyak.
Dimensi PLTD lebih kecil dibanding PLTU untuk kapasitas yang sama.
Cara pengoprasian mudah dan memerlukan operator yang sedikit.
Effisiensi termal PLTD lebih besar dibanding PLTU untuk kapasitas yang sama
Dapat beroperasi sepanjang waktu selama masih tersediannya bahan bakar.
Dalam operasinya tidak bergantung pada alam seperti halnya PLTA.
Investasi awal pembangunan PLTD relatif murah dibanding pembangkit listrik lain.
Kekurangan PLTD
Ongkos bahan bakarnya (solar) tergolong mahal dan bergantung dengan perubahan harga minyak dunia yang cenderung meningkat dari tahun ke tahun.
Menimbulkan polusi udara yang ditimbulkan dari pembakaran bahan bakar konvensional yang kadang kurang sempurna.
Memerlukan pemeliharaan rutin.
Sistem operasi tidak efisien bahkan tergolong boros pada kondisi beban rendah.
Biaya pelumas tinggi.
Tidak bisa dibebani overload pada waktu yang panjang.
Kapasitas PLTD kecil.
BEBAN TENAGA LISTRIK
Karakteristik Umum Beban Listrik
Penentuan karakteristik beban listrik suatu gardu distribusi sengat penting artinya untuk mengevaluasi pembebanan gardu distribusi tersebut, ataupun dalam merencanakan suatu gardu distribusi yang baru.
Karakteristik beban ini sangat memegang peranan penting dalam memilih kapasitas transformator secara tepat dan ekonomis. Di lain sisi sangat penting artinya dalam menentukan rating peralatan pemutus rangkaian, analisa rugi-rugi dan menentukan kapasitas pembebanan dan cadangan tersedia dan suatu gardu. Karakteristik beban listrik suatu gardu sangat tergantung pada jenis beban yang dilayaninya. Hal ini akan jelas terlihat dan hasil pencatatan kurva beban suatu interval waktu.
Berikut ini beberapa faktor yang menentukan karaktristik beban.
Factor Beban (Load factor)
Faktor beban adalah perbandingan antara beban rata – rata terhadap beban puncak yang diukur dalam suatu periode tertentu. Beban rata – rata dan beban puncak dapat dinyatakan dalam kilowatt, kilovolt – amper, amper dan sebagainya, tetapi satuan dari keduanya harus sama. Faktor beban dapat dihitung untuk periode tertentu biasanya dipakai harian, bulanan atau tahunan. Beban puncak yang dimaksud disini adalah beban puncak sesaat atau beban puncak rata-rata dalam interval tertentu (demand maksimum), pada umumnya dipakai demand maksimum 15 menit atau 30 menit. Definisi dari faktor beban ini dapat dituliskan dalam persamaan berikut ini: Faktor beban dapat diketahui dari kurva bebannya. Sedangkan untuk perkiraan besaran faktor beban di masa yang akan datang dapat didekati dengan kata data statistik yang ada berdasarkan jenis bebannya.
Faktor beban=Beban rata-rata dalam periode tertentuBeban puncak dalam periode tersebut
Bila diterapkan pada pusat pembangkit maka di dapat, menurut definisi :
Faktor Beban=Prata-rataPpuncak = Prata-rataPp×TT
dengan :
T = periode waktu Prata-rata = Beban rata – rata dalam periode T
Pp= beban puncak yang terjadi dalam periode T pada selang waktu tertentu (15 menit atau 30 menit).
Bila Prata dan Pp dalam kW dan T dalam jam.
Bila T dalam setahun, maka didapat faktor beban tahunan, bila dalam satu bulan didapat faktor beban bulanan dan bila harian, factor beban harian.
Beban Harian
Faktor beban harian, bervariasi menurut karakterstik dari daerah beban tersebut, apakah daerah pemukiman, daerah industry, perdagangan ataupun gabungan dari bermacam pemakai/pelanggan, juga bagimana keadaan cuaca atau juga apakah hari libur dan sebagainya.
Faktor Beban Harian Rata-Rata
Faktor beban harian rata – rata , gambar 1. merupakan dasar dari pada faktor beban tahunan total.
Gambar 1.1 Kurva beban puncak Harian
Gambar 1.2 Kurva beban puncak Bulanan
FbTahunan=FbBulanan × PPhPPb × PpbPpt
Selanjutnya, dapat dilihat beban puncak bulanan rata – rata terhadap beban puncak tahunan, lihat gambar 1.3. misalkan Ppt = puncak tahuanan (annual load faktor), maka ini dapat dihitung sebagaai berikut :
Dimana :
Fbt = faktor beban tahunan
Fbh = faktor beban harian
Pph = beban puncak rata – rata harian
Ppb = beban puncak rata – rata bulanan
Ppt = beban puncak rata – rata tahunan
Gambar 1.3 Kurva beban puncak Tahunan
Faktor Penilaian Beban
Faktor-faktor penilaian beban adalah faktor yang dapat memberikan gambaran mengenai karakteristik beban, baik dari segi kuantitas pembebanannya maupun dari segi kualitasnya. Faktor-faktor ini sangat berguna dalam meramalkan karakteristik beban masa datang atau dalam menentukan efek pembebanan terhadap kapasitas sistem secara menyeluruh.
Beban (Demand)
Pengertian dari demand (D) dan suatu beban dapat diartikan sebagai besar pembebanan sesaat dan gardu pada waktu tertentu atau besar beban rata-rata untuk suatu interval waktu tertentu. Interval waktu dimana besarnya beban ingin ditentukan disebut : Demand Interval (T). Demand dapat dinyatakan dalam KW, KVA atau KVAR.
Beban Maksimum (Maximum Demand)
Maximum demand (Dmax ) adalah beban rata-rata terbesar yang terjadi pada suatu interval demand tertentu. Jadi maximum demand ditentukan untuk waktu tertentu dari suatu interval waktu tertentu, misal : - maximum demand 1 jam , T = 24 jam, dengan perkataan lain ; Dmx, 1 jam pada T = 24 jam,berarti besarnya beban rata-rata terbesar untuk selang waktu 1 jam pada interval waktu T = 24 jam.
Beban Puncak (Peak Load)
Beban Puncak (Pmax) adalah nilai terbesar dari pembebanan sesaat pada suatu interval demand tertentu. Untuk dapat memperjelas pengertian mengenai Demand (D), Maximum Demand (Dmax) dan Beban Puncak (Pmax) dapat dilihat pada Gambar 1.4 dibawah ini.
Gambar 1.4 Perubahan Kebutuhan Maksimum Terhadap Waktu
Interval Demand : T = 24 jam
Demand = Pav : D = 27 kW
Maximum Demand : Dmax, 1 jam = 95 kW
Beban Puncak : Pmax = 10 kW
Beban Terpasang (Connected Load)
Beban terpasang dari suatu sistem adalah jumlah total daya dari seluruh peralatan sesuai dengan KW atau KVA yang tertulis pada papan nama (name plat) peralatan yang akan dilayani oleh system tersebut.
Jadi :
PL=i=1nPi
Dimana :
Pi = rating KVA dari alat i
n = jumlah alat yang terhubung ke sistem.
Kurva Beban Dan Beban Puncak
Kepadatan beban selalu dipakai sebagai ukuran dalam menentukan kebutuhan listrik. Sesuatu daerah kepadatan beban satuannya dapat berupa MVA/km2 atau KVA/m2 umumnya satuan yang dipakai adalah MVA/km2. Beban puncak (kebutuhan maksimum) didefenisikan sebagai beban (kebutuhan) terbesar/tertinggi yang terjadi selama periode tertentu. Periode tertentu dapat berupa sehari, sebulan maupun dalam setahun. Perode harian, yaitu variasi pembebanan trafo distribusi selama sehari. Selanjutnya beban puncak harus diartikan beban rata – rata selama selang waktu tertentu, dimana kemungkinan terjadinya beban tersebut. Contoh, beban harian dari transformator distribusi di mana beban puncaknya selama selang waktu 1 jam, yaitu antara pukul 19.00 (titik A) dan pukul 20.00 (titikB). Nilai rata – rata kurva A – B, merupakan kebutuhan puncaknya (kebutuhan maksimum). Perlu diingatkan disini bahwa kebutuhan puncak (kebutuhan max) bukan merupakan nilai sesaat, tetapi nilai rata – rata selama selang waktu tertentu, biasanya selang waktu tertentu tersebut adalah 15 menit, 30 menit atau satu jam.
Kurva Beban
Kurva beban menggambarkan variasi perbebanan terhadap suatu gardu yang diukur dengan KW, Ampere atau KVA Sebagai fungsi dari waktu. Interval waktu pengukuran biasanya ditentukan berdasarkan pada penggunaan hasil pengukuran, misal : interval waktu 30 menit atau 60 menit sangat berguna dalam penentuan kapasitas rangkaian. Biasanya beban diukur untuk interval waktu 15 menit, 30 menit, satu hari atau 1 minggu. Kurva Beban menunjukkan permintaan (demand) atau kebutuhan tenaga pada interval waktu yang berlain-lainan. Dengan bantuan kurva beban kita dapat menentukan besaran dari beban-terbesar dan selanjutnya kapasitas pembangkit dapat ditentukan juga.
Gambar 1.5 Pukul 5 pagi beban mulai menanjak dan mencapai maksimum kira-kira pada pukul 8 pagi, waktu semua mesin industri beroperasi. Hal seperti itu akan konslan sampai menjelang habis waktu kerja, tetapi menurun pada waktu istirahat siang. Sehabis istirahat siang akan naik lagi dan akan menurun sekitar jam 4-5 sore.
Gambar 1.6 Beban tranportasi kota akan tinggi kira-kira pada jam 9 pagi. Akan berkurang pada jam 12 siang dan akan naik lagi sampai kira-kira jam 5 sore.
Gambar 1.7 Beban untuk penerangan kota akan konstan dari jam 6 sore sampai jam 6 pagi.
Gambar 1.8 Beban rumah tangga akan maksimum pada jam 6 sore sampai kira-kira jam 12.00 malam dan akan menurun sesudah jam 12 malam.
Gambar 1.9 adalah salah satu contoh kurva beban suatu metropolitan
Beban Puncak
Kepadatan beban selalu dipakai sebagai ukuran dalam menentukan kebutuhan listrik. Sesuatu daerah kepadatan beban satuannya dapat berupa MVA/km2 atau KVA/m2 umumnya satuan yang dipakai adalah MVA/km2. Beban puncak (kebutuhan maksimum) didefenisikan sebagai beban (kebutuhan) terbesar/tertinggi yang terjadi selama periode tertentu. Periode tertentu dapat berupa sehari, sebulan maupun dalam setahun. Perode harian, yaitu variasi pembebanan trafo distribusi selama sehari. Selanjutnya beban puncak harus diartikan beban rata – rata selama selang waktu tertentu, dimana kemungkinan terjadinya beban tersebut. Contoh, beban harian dari transformator distribusi di mana beban puncaknya selama selang waktu 1 jam, yaitu antara pukul 19.00 (titik A) dan pukul 20.00 (titik B). Nilai rata – rata kurva A – B, merupakan kebutuhan puncaknya (kebutuhan maksimum). Perlu diingatkan disini bahwa kebutuhan puncak (kebutuhan max) bukan merupakan nilai sesaat, tetapi nilai rata – rata selama selang waktu tertentu, biasanya selang waktu tertentu tersebut adalah 15 menit, 30 menit atau satu jam.
GENERATOR SINKRON
Pengertian Generator Sinkron
Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator sinkron (altenator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik diperoleh dari proses dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya. Generator sinkron dengan defenisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor.
Prinsip Kerja Generator Sinkron
Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut:
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.
Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya.
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 magnetic 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 di bawah ini.
e=-Ndφdt
Eeff = Cnφm
Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 120° satu sama lain.
Reaksi Jangkar Generator Sinkron
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 seperti pada gambar 2.1 berikut :
Gambar 2.1 Model reaksi jangkar
Keterangan gambar :
Arus jangkar (I) sefasa dengan GGL (E). Jenis beban resistif dimana ФA tegak lurus terhadap ФF.
Arus jangkar (I) terdahulu Ф dari GGL (E). Jenis beban kapasitif dimana ФA memperkuat ФF , sehingga terjadi pengaruh pemagnetan.
Arus jangkar (I) terbelakang dari GGL (E). Jenis beban Induktif dimana ФA memperlemah ФF , terjadi pengaruh pendemagnetan.
Pengaruh yang ditimbulkannya dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetizing) fluksi arus medan pada celah udara.
Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung kepada beban dan faktor daya beban, yaitu:
Untuk beban resistif (cosϕ = 1)
Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanya sebatas mendistorsinya saja tanpa pengaruh kekuatannya (cross magnetizing)
Untuk beban induktif murni (cosϕ = 0 lag)
Arus akan tertinggal 90° dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan demagnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan melemahkan fluksi arus medan.
Untuk beban kapasitif murni (cosϕ = 0 lead)
Arus akan mendahului tegangan sebesar 90°. Fluksi yang dihasilkan arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga reaksi jangkar yang terjadi magnetizing artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus medan.
Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagaian magnetizing dan sebagaian demagnetizing. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian magnetizing. Sementara itu saat beban adalah induktif, maka reaksi jangkar akan sebagaian distortif dan sebagaian demagnetizing. Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.
EFEK PERUBAHAN BEBAN PADA GENERATOR YANG BEROPERASI SENDIRI
Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan arus saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang berpengaruh terutama oleh factor daya beban, seperti pada Gambar 13 , diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan terminal setelah beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan terminal pada saat awal.
Gambar 2.2 Beban Induktif
Gambar 2.3 Beban Resistif
Gambar 2.4 Beban Kapasitif
Gambar 2.2-2.4 Perubahan fasor untuk berbagai beban yang berubah
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan, maka tegangan terminal cenderung membesar.
Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea,karena Ea=K. ω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai fluksi tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubah-ubah. Selain besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai dengan factor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal generator yang stabil. Gambar 2.5 menunjukkan contoh hubungan antara Arus Jangkar I1 dan Arus Medan If untuk tiga jenis faktor daya, dalam hal ini generator yang dipakai memiliki tegangan kerja 24 kV dan daya 400 MVA. Terlihat untuk arus beban yang sama, maka arus medan yang harus diberikan berbeda-beda tergantung pada faktor daya beban.
Gambar 2.5 Kurva Arus Jangkar Vs Arus Medan untuk tiga faktor daya
Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri:
1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban.
2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya yang dihasilkan.
3. Pengaturan Arus Medan akan mempengaruhi nilai tegangan terminal.
BAB III
PEMBAHASAN HASIL
LAPORAN YANG DI DUKUNG DATA DESKRIPTIF
Untuk mendapatkan analisa dan perhitungan terhadap Generator Sinkron,adapun data yang diambil adalah dari PLTD Buntok.
Data yang dipergunakan untuk proses perhitungan ini adalah sebagai berikut:
Type
WY 14 L061 LLT
Merk
Alsthom
Hub Kumparan Stator
Bintang (Y)
Daya Nominal
37000 KVA
Arus Nominal
2034 A
Frekuensi
50 Hz
Tegangan Nominal
10,5 KV
Phasa
3
Putaran
3000 RPM
Faktor Daya (Cos φ)
0,8
Tahanan Jangkar (Ra)
0,00636 Ω
Reaktansi Sinkron
14,3 %
Rasio Hubung Singkat
0,42
Tabel 1.1 Data spesifikasi dari generator sinkron yang di gunakan pada PLTD.
Hasil Perhitungan
NO
Beban Daya Aktif (MW)
Faktor Daya Lagging
Ia
Ea
If
1.
15,2
1479
-55,601
6384,936
1,957
304,044
1,957
2.
15,7
1495
-54,732
6386,814
2,003
304,134
2,03
3.
16,9
1534
-52,719
6397,211
2,025
304,629
2,025
Tabel 1.2 Hasil Perhitungan Nilai Arus Beban, Tegangan Induksi dan Arus Eksitasi Saat Generator diberi Beban Pada Factor Daya Lagging.
NO
Beban Daya Aktif (MW)
Faktor Daya Leading
Ia
Ea
If
1.
15,2
1479
55,601
6036,999
2,179
287,476
2,179
2.
15,7
1495
54,732
6038,82
2,227
287,563
2,227
3.
16,9
1534
52,719
6043,474
2,339
287,784
2,339
Tabel 1.3 Hasil Perhitungan Nilai Arus Beban, Tegangan Induksi dan Arus Eksitasi Saat Generator diberi Beban Pada Factor Daya Leading.
Gambar 3.1 Hubungan antara GGL Induksi (Ea) Terhadap Arus Medan (If) saat Faktor Daya Lagging
Gambar 3.2 Hubungan antara GGL Induksi (Ea) Terhadap Arus Medan (If) saat Faktor Daya Leading
Pada gambar 3.1 dan 3.2 di atas terlihat bahwa jika arus eksitasi atau arus medan dinaikan sesuai dengan pertambahan beban, maka ggl induksi yang terbangkitkan juga akan bertambah besar. Dengan berobahnya arus eksitasi sehingga akan merubah tegangan ggl induksi, yang akhirnya akan diperoleh tegangan terminal yang tetap.
Gambar 3.3 Hubungan antara GGL Induksi (Ea) Terhadap Arus Beban (Ia) saat Faktor Daya Lagging
Gambar 3.4 Hubungan antara GGL Induksi (Ea) Terhadap Arus Beban (Ia) saat Faktor Daya Leading
Pada gambar 3.3 dan 3.4 di atas terlihat bahwa semakin bertambahnya beban maka arus beban juga akan semakin bertambah maka GGL induksi juga akan semakin bertambah sesuai dengan pertambahan arus eksitasi agar diperoleh tegangan terminal yang stabil atau tetap.
Gambar 3.5 Hubungan Antara Arus Medan (If) Terhadap Arus Beban (Ia) saat Faktor Daya Lagging
Gambar 3.6 Hubungan Antara Arus Medan (If) Terhadap Arus Beban (Ia) saat Faktor Daya Leading
Pada Gambar 4.5 dan 4.6 di atas terlihat bahwa jika arus beban bertambah yang di akibatkan dari penambahan beban maka arus eksitasi juga harus bertambah karena untuk menjaga agar tegangan terminal selalu dalam keadaan stabil atau konstan.
Berdasarkan hasil grafik diatas antara hubungan GGL induksi dengan arus beban, hubungan GGL induksi dengan arus medan dan hubungan arus medan dengan arus beban, dapat dilihat bahwa semakin bertambahnya beban maka GGL induksi juga akan naik dan arus eksitasi juga naik untuk menjaga agar tegangan terminal tetap stabil. Sistem eksitasi sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya.Sistem eksitasi yang baik dapat menyebabkan sistem mampu bertahan terhadap gangguan sehingga dapat meningkatkan kestabilan Saat generator dihubungkan dengan beban akan menyebabkan tegangan keluaran generator akan turun, karena medan magnet yang dihasilkan dari arus penguat relative konstan. Agar tegangan generator konstan, maka harus ada peningkatan arus penguatan sebanding dengan kenaikan beban.
PEMBAHASAN ANTARA HASIL LAPANGAN, TEORI DAN PENULIS
Berdasarkan data di atas Bertambahnya beban yang dilayani generator identik dengan bertambahnya daya nyata atau daya reaktif yang mengalir dari generator. Maka pertambahan beban akan menambah arus saluran yang mengalir dari generator, pertambahan arus saluran ini akan mempengaruhi nilai tegangan terminal Vt. hal yang berpengaruh terutama oleh factor daya beban, seperti pada Gambar dibawah , diperlihatkan diagram fasor untuk penambahan beban dengan faktor daya tertinggal, faktor daya satu, dan faktor daya terdahulu, dimana Vt' adalah tegangan terminal setelah beban dengan faktor daya yang sama ditambahkan, dan Vt menyatakan tegangan terminal pada saat awal.
Gambar 3.6 Beban Induktif
Gambar 3.7 Beban Resistif
Gambar 3.8 Beban Kapasitif
Terlihat bahwa untuk beban induktif, pertambahan beban akan mengurangi tegangan terminal akan mengecil. Begitu juga jika beban resistif ditambahkan maka tegangan terminal juga akan mengecil. Jika beban kapasitif ditambahkan, maka tegangan terminal cenderung membesar.
Pada kondisi normal, untuk menjaga tegangan terminal agar tetap konstan meskipun beban berubah maka dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea,karena Ea=K. ω, maka Ea dapat dijaga konstan dengan mengatur nilai fluksi. Nilai fluksi tentu dipengaruhi oleh arus medan If. bertambahnya If akan menambah fluksi, begitu juga sebaliknya. Beban yang dilayani generator selalu berubah-ubah. Selain besarnya juga faktor dayanya, ini menuntut penentuan arus eksitasi yang sesuai dengan factor dayanya untuk menghasilkan tegangan terminal generator yang stabil.
Dapat disimpulkan untuk generator yang bekerja sendiri:
1. Daya yang disuplai generator sesuai kebutuhan beban.
2. Pengaturan governor pada generator akan mempengaruhi frekuensi daya yang dihasilkan.
3. Pengaturan Arus Medan akan mempengaruhi nilai tegangan terminal.
INTERPRETASI
Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) merupakan salah satu pembangkit listrik yang menggunakan generator sinkron (Alternator) sebagai pengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik bolak-balik secara elektromagnetik. Energi mekanik berasal dari penggerak mula (Prime mover) yang memutar rotor, sedangkan energi listrik dihasilkan dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan-kumparan stator. Namun dengan perkembangan konsumen yang semakin meningkat, kebutuhan akan tenaga listrik setiap hari juga semakin meningkat. Tenaga listrik yang dibutuhkan oleh konsumen setiap harinya tidak tetap. Hal ini akan menyebabkan beban yang diterima oleh generator akan berubah-ubah sehingga akan mempengaruhi system ketenaga listrikannya sendiri. Generator adalah salah satu jenis mesin listrik yang digunakan sebagai alat pembangkit energi listrik dengan cara menkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik. Untuk mendapatkan tegangan terminal generator yang konstan, maka arus jangkar dan sudut daya harus tetap pula. Besarnya perubahan beban yang dapat ditanggung generator perlu diketahui yang disesuaikan dengan kemampuan generator sehingga kestabilan generator dapat dijaga. Pembangkitan GGL induksi pada generator sinkron membutuhkan arus penguatan (eksitasi) untuk menimbulkan fluksi magnetik pada kutub-kutub medan generator yang terletak pada rotor. Sistem penguatan (excitation) menentukan kestabilan tegangan yang dihasilkan oleh generator.
BAB IV
PENUTUP
KESIMPULAN
Dari pembahasan hasil serta teori pendukung di atas dapat di ambil beberapa kesimpulan :
Nilai GGL induksi pada factor daya lagging lebih besar dari nilai GGL induksi pada factor daya leading. GGL induksi yang di dapat pada saat beban puncak dari factor daya lagging adalah 6397,211 V sedangkan GGL induksi yang di dapat pada saat beban puncak dari factor daya leading adalah 6043,474 V
Dari perbandingan hasil analisa diketahui bahwa semakin besar beban yang ditempatkan pada sistem, maka arus medan akan semakin besar, yaitu sebesar 304,629 pada saat lagging dan 287,784 pada saat leading.
Perubahan arus beban terjadi akibat perubahan nilai beban yang terpakai sehingga juga akan mempengaruhi nilai tegangan yang dibangkitkan oleh generator itu sendiri.
Pada pengoperasian generator sinkron selalu ada batas tertentu dari besarnya daya yang dapat dihasilkan dan besarnya daya yang dapat dipikul oleh sebuah Analisa Pengaruh Perubahan Beban Terhadap Karakteristik Generator Sinkron generator sinkron agar dapat bekerja dengan normal.
Pengoperasian generator dituntut suatu kestabilan agar kinerja generator menjadi efektif dan efisien. Dengan penentuan karakteristik generator maka didapatkan nilai yang tepat dalam pengoperasian generator.
SARAN
Setelah melakukan pengumpulan, mengolah dan menganalisa data, maka penulis menyarankan :
Dalam pengoperasian generator perlu selalu diperhatikan nilai parameternya agar tidak melebihi dari kemampuan generator sehingga kestabilan generator terjaga, tahan lama dan dapat beroperasi secara kontinue.
Selalu menjaga kelayakan dari system kontrol generator dan proteksi guna mendapatkan pengaturan yang tepat bagi generator.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Zuhal. Dasar Tenaga Listrik, Bandung, Penerbit ITB, 1977.
[2] Bandri, Sepannur. Jurnal Teknik Elektro volume 2, No. 1, 2013
[3] Sudirham, Sudaryatno. Analisis Sistem Tenaga, Bandung, Darpublic, 2012
[4] Abduh, Syamsir. Teknik tegangan Tinggi, Jakarta, Salemba Teknika, 2001
[5] Muslim, Supari dkk. Teknik Pembangkit Tenaga Listrik, Jakarta, Kemendiknas, 2008
[6] Parsa, I made. Bahan Ajar Teknik pembangkit Energi Listrik, Kupang, 2012
