MATA_PELAJARAN_1.docx

DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK DAN KONTROL INSTRUMEN [B.1.1.1.083.2.M.EL]

Edisi I November 2014

DASAR PEMELIHARAAN PEMELIH ARAAN LISTRIK DAN D AN KONTROL INSTRUMEN (B.1.1.1.083.2.M.EL)

TUJUAN PEMBELAJARAN :

Setelah mengikuti pelajaran Dasar pemeliharaan listrik dan kontrol instrumen ini diharapkan mampu mengetahui dan memahami dasar pemeliharaan listrik, proteksi dan kontrol instrumen pada Pembangkit dengan benar .

DURASI

:

32 JP / 4 HARI EFEKTIF

TIM PENYUSUN

: 1. Miftahurrozaq 2. Erwin 3. Faisal Rifki Kafil 4. Muhammad Mawardi 5. M. Ikhfan 6. Murdani 7. Krisna Sulistya

TIM VALIDATOR

: 1. Sukardi ( Div KIT IT ) 2. Danial Jalil ( Div KIT JB ) 3. Hamdan ( Puslitbang Puslitbang )

i

SAMBUTAN

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas Rahmat, Taufiq dan Hidayah-Nya materi pembelajaran initelah berhasil disusun dengan baik dan tepat waktu. Seiring dengan metamorfosa PLN Pusdiklat sebagai PLN Corporate University , telah disusun sejumlah materi pembelajaran yang sesuai dengan kebutuhan Korporat. Program pembelajaran ini bersifat Mandatori

bagi

setiap

pegawai

sesuai

tuntutan

Kebutuhan

Kompetensi Jabatan (KKJ)yang sudah ditetapkan.Penyusunan materi pembelajaran ini berbasis kepada Direktori Kompetensi PT. PLN (Persero)dan disusun bersama dengan LSC (Learning Steering Commitee) . Dengandiimplementasikannya PLN Corporate University , diharapkan pembelajaran ini tidak hanya menjadi milik PLN Corporate University dan dan Direktorat SDM, namun juga memberikan benefit bagiBusiness bagi Business Owner sesuai sesuai dengan salah satu nilai PLN Corporate University yaitu ” Performing Performing ” . Akhir kata, kata, semoga buku ini ini dapat bermanfaa bermanfaatt untuk kemajuan kemajuan perusaha perusahaan. an.

ii

KATA PENGANTA PENGANT AR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena dengan rahmat, taufiq serta hidayahNya materi pembelajaran ”Termodinamika dan Perpindahan Pan as” ini dapat selesai dengan baik dan tepat pada waktunya. Penyusunan materi ini dimaksudkan sebagai bahan ajar/handout pada pembelajaran “Dasar Pemeliharaan Listrik dan Kontrol Instrumen ” yang dilaksanakan oleh Primary Energy and Power Generation Academy dalam rangka memelihara

dan

meningkatkan

kompetensi

tenaga

teknik

bidang

Pemeliharaan

Pembangkitan di lingkungan PT PLN (Persero). Materi pembelajaran pembelajar an ini disusun oleh Tim yang kompeten dan berpengalaman berpengalaman dalam bidang

“Pemeliharaan Listrik dan control Instrumen Pembangkitan ”, sehingga materi ini akan selaras dengan kebutuhan operasional dalam rangka menunjang kinerja yang ekselen. Namun demikian kami menyadari sepenuhnya bahwa materi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu kami mengharapkan masukan dan sarannya dari semua pihak untuk perbaikan dan penyempurnaan materi ini. Akhir kata, pembelajaran pembelajaran ini diharapkan diharapkan dapat dapat membantu membantu meningkatkan meningkatkan kinerja unit Operasional pada khususnya dan mampu menunjang kinerja ekselen korporat. Kepada semu pihak yang telah membantu dalam penyusunan materi pembelajaran ini kami mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya.

3

DAFTAR BUKU PELAJARAN

Mata Pelajaran 1 DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK Mata Pelajaran 2 DASAR PEMELIHARAAN PROTEKSI Mata Pelajaran 3 DASAR PEMELIHARAAN KONTROL DAN INSTRUMEN

4

Mata Pelajaran 1 DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK

Simple Inspiring Performing

Phenomenal

v

TUJUAN PELAJARAN

: Setelah mengikuti pelajaran Dasar Pemeliharaan Listrik ini peserta mampu memahami teori dasar peralatan-peralatan listrik dan pemeliharaannya dengan benar sesuai standar pemeliharaan yang berlaku.

DURASI

:

16 JP

PENYUSUN

: 1. Miftahurrozaq 2. Faisal Rifki Kafil 2. M. Ikhfan


Phenomena

vi

DAFTAR ISI

DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK DAN KONTROL INSTRUMEN .......................................................................i TUJUAN

PEMBELAJARAN................................................................................................................................i

SAMBUTAN....................................................................................................................................................ii DAFTAR BUKU PELAJARAN ........................................................................................................................... iv Mata Pelajaran 1 ........................................................................................................................................... v DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK .................................................................................................................... v TUJUAN PELAJARAN ..................................................................................................................................... vi DAFTAR ISI ................................................................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................................................................. xv DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK ....................................................................................................................1 1.

Teori Listrik .......................................................................................................................................1 1.1

Tahanan Listrik ..........................................................................................................................1

1.2

Tegangan Listrik.........................................................................................................................3

1.3

Arus Listrik .................................................................................................................................4

1.4

Hubungan Tegangan, Arus dan Hambatan Listrik .....................................................................7

1.5

Daya Listrik ................................................................................................................................8

1.6

Listrik AC ..................................................................................................................................10

1.7

Prinsip Elektromagnet .............................................................................................................28

1.8

Prinsip Elektromekanik ............................................................................................................34

1.9

Isolasi Listrik ............................................................................................................................38

2.

Motor Listrik ...................................................................................................................................42 2.1

Prinsip Kerja.............................................................................................................................42

2.2

Jenis – Jenis Motor Listrik........................................................................................................46

2.3

Konstruksi Motor Listrik ..........................................................................................................57

3.

Transformator ................................................................................................................................64 3.1

Prinsip Kerja Transformer........................................................................................................65


Phenomena

vii

3.2

Rangkaian Ekuivalen Transformer ...........................................................................................66

3.3

Transformer Praktis .................................................................................................................67

3.4

Rugi-Rugi Pada Transformer....................................................................................................68

3.5

Transformer Tiga Fasa .............................................................................................................72

3.6

Jenis-Jenis Transformer ...........................................................................................................74

3.7

Komponen Transformator .......................................................................................................78

3.8

Relay Proteksi Transformer .....................................................................................................87

4.

Generator .....................................................................................................................................101 4.1

Jenis – Jenis Generator ..........................................................................................................103

4.2

Konstruksi Generator DC .......................................................................................................109

4.3

Prinsip kerja Generator DC ....................................................................................................110

4.4

Jenis – Jenis Generator AC.....................................................................................................115

4.5

Fungsi Dan Prinsip Kerja Generator Sinkron .........................................................................117

4.6

Konstruksi Generator Sinkron ...............................................................................................121

4.7

Sistem Eksitasi Dan Konstruksi Eksitasi .................................................................................133

4.8

Sistem Pendingin Generator .................................................................................................137

4.9

Sistem Pentanahan Generator ..............................................................................................142

4.10

Alat Ukur Pada Generator .....................................................................................................143

4.11

Sinkronisasi Generator ..........................................................................................................148

4.12

Pemeliharaan Dan Pengujian Tahanan Isolasi Generator .....................................................150

5.

Baterai ..........................................................................................................................................161 5.1

Konstruksi Baterai .................................................................................................................165

5.2

Prinsip Kerja Baterai Asam – Timah (Lead Acid)....................................................................167

5.3

Jenis – Jenis Baterai Asam Timah (Lead Acid) .......................................................................172

5.4

Parameter& Karakteristik Baterai dan Rangkaian Baterai ....................................................176

5.5

Pemeliharaan Baterai ............................................................................................................184


Phenomena

88

DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Gerakan elektron didalam penghantar logam ............................................................................1 Gambar 2. Tegangan sumber dan tegangan jatuh ........................................................................................4 Gambar 3. Arah arus listrik dan arah gerakan electron ................................................................................5 Gambar 4. Rapat arus listrik ..........................................................................................................................6 Gambar 5. Hukum Kirchoff............................................................................................................................7 Gambar 6. Tangki Air dengan permukaan air berbeda .................................................................................7 Gambar 7. Tangki Air dengan saluran air berbeda........................................................................................8 Gambar 8. Prinsip GGL Induksi ....................................................................................................................10 Gambar 9. Kumparan Posisi 0 Derajat.........................................................................................................11 Gambar 10. Kumparan Posisi 90 Derajat ....................................................................................................11 Gambar 11. Kumparan Posisi 180 Derajat ..................................................................................................11 Gambar 12. Kumparan Posisi 270 Derajat ..................................................................................................12 Gambar 13. Kumparan Posisi 360 Derajat ..................................................................................................12 Gambar 14. perbandingan gelombang AC dan DC......................................................................................12 Gambar 15. Bentuk gelombang AC 1 fasa ...................................................................................................13 Gambar 16. Nilai puncak .............................................................................................................................13 Gambar 17. Nilai puncak ke puncak ............................................................................................................14 Gambar 18. Nilai Sesaat ..............................................................................................................................14 Gambar 19. Nilai Efektif ..............................................................................................................................15 Gambar 20. Gelombang listrik AC 3 fasa .....................................................................................................17 Gambar 21. Lilitan Generator......................................................................................................................17 Gambar 22. Sambungan delta (segitiga) .....................................................................................................18 Gambar 23. Sambungan bintang (Wye) ......................................................................................................19 Gambar 24. Arus Sefasa dengan Tegangan .................................................................................................20 Gambar 25. Arus Tertinggal dari Tegangan.................................................................................................22 Gambar 26. Pengaruh Kapasitansi Terhadap Tegangan .............................................................................23 Gambar 27. Kurva dan vektor beban kapasitif............................................................................................24 Gambar 28. Rangkain Daya Listrik 1 Fasa....................................................................................................24 Gambar 29. Segitiga Daya ...........................................................................................................................27 Gambar 30. Rangkaian Daya Generator 3 Fasa...........................................................................................27 Gambar 31. Medan Magnet ........................................................................................................................29 Gambar 32. Elektromagnet .........................................................................................................................29 Gambar 33. Rangkaian sederhana Magnet .................................................................................................30 Gambar 34. Analogi rangkaian magnet dan listrik ......................................................................................32 Gambar 35. Kurva Magnetisasi ...................................................................................................................34 Gambar 36. Proses konversi energi elektromekanik...................................................................................35


Phenomena

9

Gambar 37. Gaya Gerak Listrik ....................................................................................................................36 Gambar 38. Arah gaya torsi.........................................................................................................................37 Gambar 39. Interaksi Medan Magnet Stator dan Rotor .............................................................................38 Gambar 40. Batang Penghantar yang dialir arus listrik ...............................................................................42 Gambar 41. Demontrasi Tangan kiri Fleming..............................................................................................42 Gambar 42. Simulasi Kerja Motor DC..........................................................................................................43 Gambar 43. Medan magnet pada stator motor dc .....................................................................................43 Gambar 44. Arus Dc pada kumparan jangkar di rotor ................................................................................43 Gambar 45. Gaya dan Torsi Pada motor DC................................................................................................44 Gambar 46. Prinsip kerja motor induksi 3 fasa ...........................................................................................45 Gambar 47. Klasifikasi Motor Listrik............................................................................................................46 Gambar 48. Motor Sinkron..........................................................................................................................47 Gambar 49. Rangkaian Ekivalen motor sinkron satu phasa ........................................................................49 Gambar 50. Motor Induksi ..........................................................................................................................52 Gambar 51. motor induksi pada industry ...................................................................................................52 Gambar 52. name plate...............................................................................................................................52 Gambar 53. Motor DC Penguat Terpisah ....................................................................................................54 Gambar 54. DC Shunt Motor: Schematic and Wiring Diagram ...................................................................55 Gambar 55. DC Series Motor: Schematic and Wiring Diagram ...................................................................56 Gambar 56. DC Compoud Motor :Schematic and Wiring Diagram .............................................................57 Gambar 57. Stator dan Rotor Motor DC .....................................................................................................57 Gambar 58. Sikat arang (kiri), Pemegang /Holder (tengah), dan Sikat arang yang terpasang (kanan) ......58 Gambar 59. Konstruksi Motor Arus Searah ( DC ) .......................................................................................58 Gambar 60. Konstruksi Motor Induksi ........................................................................................................59 Gambar 61. Konstruksi Stator Motor Induksi..............................................................................................59 Gambar 62. Tutup Motor Induksi................................................................................................................60 Gambar 63. Konstruksi rotor sangkar (squirrel cage) .................................................................................61 Gambar 64. Konstruksi Rotor Belitan (Wound Rotor).................................................................................62 Gambar 65. Sikat atau Borstel.....................................................................................................................62 Gambar 66. Ball Bearing ..............................................................................................................................63 Gambar 67. Roller bearing ..........................................................................................................................63 Gambar 68. Thrust Ball Bearing...................................................................................................................63 Gambar 69. Transformasi energy ................................................................................................................64 Gambar 70. Simbol trafo 1 fasa...................................................................................................................64 Gambar 71. Simbol transformator 3 fasa....................................................................................................65 Gambar 72. Rangkaian transformator ........................................................................................................65 Gambar 73. Grafik, arus, tegangan dan fluks yang terjadi ..........................................................................66 Gambar 74. Rangkaian ekuivalen transformer ...........................................................................................67 Gambar 75. Rangkaian ekuivalen yang telah disederhanakan ...................................................................67


Phenomena

1

Gambar 76. Rangkaian ekuivalen transformer praktis................................................................................68 Gambar 77. Arus pusar yang berputar pada material inti ..........................................................................68 Gambar 78. Grafik hysterisis Iex terhadap Φ ..............................................................................................69 Gambar 79. Konstruksi trafo tiga fasa .........................................................................................................72 Gambar 80. Rangkaian Terhubung Bintang ................................................................................................72 Gambar 81. Arah Vektor Tegangan Terhubung Bintang .............................................................................73 Gambar 82. Rangkaian Terhubung Delta ....................................................................................................73 Gambar 83. Arah Vektor Arus Terhubung Delta .........................................................................................74 Gambar 84. Core Type.................................................................................................................................75 Gambar 85. Shell Type.................................................................................................................................75 Gambar 86. Large Distribution Transformer ...............................................................................................76 Gambar 87. Medium Distribution Transformer ..........................................................................................76 Gambar 88. Small Distribution Transformer ...............................................................................................77 Gambar 89. Generator Transformer ...........................................................................................................77 Gambar 90. System Intertie Transformer ...................................................................................................78 Gambar 91. Inti Besi ....................................................................................................................................78 Gambar 92. Kumparan Transformer ...........................................................................................................79 Gambar 93. Komponen Internal Transformer.............................................................................................79 Gambar 94. Bushing ....................................................................................................................................82 Gambar 95. Konservator .............................................................................................................................83 Gambar 96. Contoh Sistem Pendingin Transformer ...................................................................................84 Gambar 97. Tap Changer.............................................................................................................................85 Gambar 98. Dehydrating Breather ..............................................................................................................86 Gambar 99. Thermometer ..........................................................................................................................86 Gambar 100. Oil Level Indicator ..................................................................................................................87 Gambar 101. Daerah Proteksi Trafo............................................................................................................89 Gambar 102. Karakteristik Relay Differensial..............................................................................................89 Gambar 103. Kerja Relay Buchollz...............................................................................................................92 Gambar 104. Relay Buchollz........................................................................................................................93 Gambar 105. Relay membrane JANSEN ......................................................................................................93 Gambar 106. Relay Tekanan Lebih ..............................................................................................................94 Gambar 107. Pengaman tangki transformator ...........................................................................................95 Gambar 108. Relay Arus Lebih ....................................................................................................................95 Gambar 109. Rangkaian Relay arus lebih ....................................................................................................96 Gambar 110. Rangkaian relay gangguan tanah terbatas ............................................................................96 Gambar 111. Konstruksi relay gangguan tanah terbatas ............................................................................97 Gambar 112. Konstruksi relay arus lebih berarah.......................................................................................97 Gambar 113. Diagram phasor torsi .............................................................................................................98 Gambar 114. Rangkaian open Delta trafo tegangan ...................................................................................99


Phenomena

1

Gambar 115. Arrester................................................................................................................................100 Gambar 116. Konfigurasi Sistem Kelistrikan .............................................................................................101 Gambar 117. Kontruksi bagian utama generator......................................................................................102 Gambar 118. Generator DC berpenguatan terpisah .................................................................................104 Gambar 119. Karakteristik Generator Penguat Terpisah ..........................................................................104 Gambar 120. Generator DC Berpenguatan Sendiri Seri ............................................................................105 Gambar 121. Generator DC Penguatan Sendiri Shunt ..............................................................................106 Gambar 122. Diagram Rangkaian Generator Shunt ..................................................................................106 Gambar 123. Karakteristik Generator Shunt.............................................................................................107 Gambar 124. Generator DC Penguatan Sendiri Kompon Panjang ............................................................108 Gambar 125. Diagram Rangkaian Generator Kompon..............................................................................108 Gambar 126. Karakteristik Generator Kompon ........................................................................................108 Gambar 127. Generator DC Penguatan Sendiri Kompon Pendek .............................................................109 Gambar 128. Konstruksi Generator DC .....................................................................................................109 Gambar 129. Prinsip Kerja Generator DC..................................................................................................110 Gambar 130. Gelombang Keluaran Generator DC ....................................................................................111 Gambar 131. Pembangkitan Tegangan Induksi........................................................................................111 Gambar 132. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator ................................112 Gambar 133. Jangkar Generator DC..........................................................................................................113 Gambar 134. Medan Eksitasi Generator DC..............................................................................................113 Gambar 135. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi Jangkar (b) ............................................113 Gambar 136. Generator dengan Kutub Bantu dan Utama .......................................................................114 Gambar 137. Karakteristik torka-kecepatan pada generator dan motor induksi .....................................116 Gambar 138. Rotor Silinder Halus dan Kutub Menonjol Generator Sinkron ............................................117 Gambar 139. Prinsip Kerja Generator AC 1 Fasa .......................................................................................119 Gambar 140. Gelombang Keluaran Generator AC 1 Fasa .........................................................................119 Gambar 141. Prinsip Kerja dan gelombang keluaran Generator AC 3 Fasa ..............................................120 Gambar 142. Kontruksi bagian utama generator......................................................................................121 Gambar 143. Kontruksi Rangka Stator ......................................................................................................122 Gambar 144. Kontruksi Stator ...................................................................................................................123 Gambar 145. Konstruksi Kumparan Stator................................................................................................123 Gambar 146. Penyambungan pada papan jepit........................................................................................124 Gambar 147. Sambungan delta dan bintang.............................................................................................124 Gambar 148. Sambungan delta (segitiga) .................................................................................................125 Gambar 149. Sambungan bintang (Way) ..................................................................................................126 Gambar 150. Konstruksi Isolasi Stator Coil ...............................................................................................127 Gambar 151. Konstruksi inti Besi (core) Stator .........................................................................................127 Gambar 152. Analogi eddy current pada inti besi.....................................................................................128 Gambar 153. Terminal dan Bushing ..........................................................................................................129


Phenomena

xii

Gambar 154. Kontruksi Rotor Silinder Halus.............................................................................................129 Gambar 155. Rotor silender halus kutub 4 dan 2 .....................................................................................129 Gambar 156. Kontruksi Rotor kutub menonjol ........................................................................................130 Gambar 157. Axial dan Centrifugal Rotor Fan...........................................................................................131 Gambar 158. Shaft Rotor...........................................................................................................................131 Gambar 159. Rotor Coil (kumparan rotor) ................................................................................................132 Gambar 160. Retaining Ring ......................................................................................................................132 Gambar 161. Jurnal Bearing ......................................................................................................................133 Gambar 162. Diagram Prinsip Sistem Eksitasi Statik .................................................................................134 Gambar 163. Eksiter seporos dengan Turbin dan Generator ...................................................................134 Gambar 164. Diagram Prinsip Sistem Eksitasi Dinamik de ngan Eksiter Generator DC .............................135 Gambar 165. Sistem Eksitasi Generator AC dengan Penyearah Statik .....................................................136 Gambar 166. Sistem eksitasi Penyearah Berputar (Brushless Excitation) ................................................136 Gambar 167. Siklus media pendingin udara generator.............................................................................139 Gambar 168. Water Cooler (Box Cooler) ..................................................................................................140 Gambar 169. Bagan Generator dengan Sistem Pendinginan Memakai Udara Tetap ...............................141 Gambar 170. Sistem Pentanahan Titik Netral Generator .........................................................................142 Gambar 171. Netral Grounding Generator dan Trafo...............................................................................143 Gambar 172. Amperemeter ......................................................................................................................144 Gambar 173. Voltmeter ............................................................................................................................144 Gambar 174. Kilowattmeter......................................................................................................................144 Gambar 175. VAR Meter ...........................................................................................................................145 Gambar 176. kWh Meter...........................................................................................................................145 Gambar 177. Cos φ meter .........................................................................................................................145 Gambar 178. Frekuensi Meter ..................................................................................................................146 Gambar 179. Temperature Indicator ........................................................................................................146 Gambar 180. Vibrasi Meter .......................................................................................................................146 Gambar 181. Pressure Indicator ...............................................................................................................147 Gambar 182. Purity Indicator ....................................................................................................................147 Gambar 183. Alat Bantu Sinkronisasi ........................................................................................................147 Gambar 184. Sinkronisasi generator dengan jaringan listrik ....................................................................148 Gambar 185. Synchroscope.......................................................................................................................150 Gambar 186. Insulation Tester Elektronik.................................................................................................158 Gambar 187. konfigurasi alat ukur dan peralatan ....................................................................................159 Gambar 188. Baterai primer .....................................................................................................................161 Gambar 189. Baterai sekunder 2V tipe VRLA (GEL) ..................................................................................161 Gambar 190. Aplikasi Baterai untuk suplai power di sistem essensial pembangkit .................................163 Gambar 191. Aplikasi baterai pada sistem UPS ........................................................................................164 Gambar 192. Aplikasi Baterai pada perangkat proteksi............................................................................164


Phenomena

13

Gambar 193. Aplikasi baterai pada sistem PLTS (Photovoltaik)................................................................165 Gambar 194. Konstruksi Baterai................................................................................................................167 Gambar 195. Proses Pengosongan Muatan (Discharge) Baterai Lead Acid ..............................................168 Gambar 196. Proses Pengisian Muatan (Charge) Baterai Lead Acid.........................................................170 Gambar 197. Proses Pengisian Berlebih (Overcharge) Baterai Lead Acid.................................................172 Gambar 198. Konstruksi baterai starting (baterai mobil) .........................................................................173 Gambar 199. Konstruksi baterai deep cycle..............................................................................................173 Gambar 200. Grafik perbandingan DOD VS number of cycles ..................................................................174 Gambar 201. Konstruksi baterai Flooded..................................................................................................174 Gambar 202. Konstruksi baterai AGM ......................................................................................................175 Gambar 203. Konstruksi baterai Gel .........................................................................................................176 Gambar 204. Temperatur VS Umur (life time) baterai .............................................................................179 Gambar 205. Temperatur VS Kapasitas baterai timah asam ....................................................................180 Gambar 206. Grafik pengisian baterai lead acid .......................................................................................181 Gambar 207. Grafik penggosongan baterai ..............................................................................................182 Gambar 208. Depth of Discharge (DOD) VS umur baterai ........................................................................182 Gambar 209. Rangkaian hubungan seri baterai ........................................................................................183 Gambar 210. Rangkaian hubungan paralel baterai...................................................................................184


Phenomena

14

DAFTAR TABEL

Table 1. Contoh Tabel KHA ............................................................................................................................6 Table 2. Perbandingan jumlah kutub dan kecepatan putar ........................................................................17 Table 3. Analogi rangkaian magnet dan listrik ............................................................................................33 Table 4. Sistem Pendingin Transformer ......................................................................................................84 Table 5. Tegangan dan arus pada sistem tiga fasa ....................................................................................126 Table 6. Perbandingan Frekuensi terhadap jumlah kutub dan putaran ...................................................130 Table 7. Program standar pemeliharaan sederhana (simple inspection) .................................................154 Table 8. Standard tegangan DC yang di aplikasikan pada saat pengujian ................................................160 Table 9. Rekomendasi nilai tahanan isolasi minimum pada 40°C (MΩ)...................................................160 Table 10. Karakteristik dan tipe baterai sekunder Lead acid Vs Nikel Cadmium ......................................162 Table 11. Tabel Pemeliharaan Harian Baterai ...........................................................................................184 Table 12. Pemeliharaan Mingguan Baterai ...............................................................................................185 Table 13. Pemeliharaan Bulanan Baterai ..................................................................................................187 Table 14. Pemeliharaan Periodik Baterai ..................................................................................................188


Phenomena

15

DASAR PEMELIHARAAN LISTRIK 1.

Teori Listrik

1.1

Tahanan Listrik

Gerakan pembawa muatan dengan arah tertentu di bagian dalam suatu penghantar terhambat oleh terjadinya tumbukan dengan atom-atom (ion-ion atom) dari bahan penghantar tersebut. "Perlawanan" penghantar terhadap pelepasan arus inilah disebut sebagai tahanan.

Gambar 1. Gerakan elektron didalam penghantar logam

Simbol formula untuk tahanan listrik adalah R. Simbol satuan untuk Ohm yaitu Ω (baca: Ohm). Satuan SI yang ditetapkan 1 Ω didefinisikan dengan aturan sbb: 1 Ohm adalah sama dengan tahanan yang dengan perantaraan tegangan 1 V mengalir arus sebesar 1A. Tahanan listrik pada sistem kelistrikan terdiri dari:



Tahanan beban



Tahanan penghantar



Tahanan jepit (tahanan pada sambungan penghantar/terminal listrik)



Tahanan isolasi penghantar

Tahanan beban menimbulkan daya beban yang bermanfaat menjadi daya mekanik (untuk menggerakkan/memutar peralatan mekanikal), daya beban panas (untuk pemanas), dan daya beban penerangan (untuk menyalakan lampu). Tahanan penghantar dan tahan jepit menimbulkan panas (pada penghantar atau pada jepitan sambungan) menjadi rugi-rugi panas (losses) yang dapat mengakibatkan


Phenomena

1

kerusakan dan bahaya kebakaran pada sistem kelistrikan. Tahanan ini didesain serendah mungkin. Besarnya tahanan total Rt suatu penghantar adalah sesuai rumusan berikut:

�=

� � �

� �= � � (�+ ��∆�) Dimana: R = Tahanan

ρ = Tahanan jenis kawat L

= Panjang penghantar

A

= Luas penampang penghantar

Ro = Nilai tahanan pada suhu 0°C Rt = Nilai tahanan pada suhu t°C

α = Perubahan tahanan jenis penghantar (koefisien temperatur) ∆t = Perubahan temperatur °C Faktor yang mempengaruhi nilai tahanan sangat tergantung pada:



Panjang kawat penghantar



Luas penampang kawat penghantar



Jenis kawat penghantar



Temperatur penghantar

Besarnya tahanan jepit tergantung pada kesempurnaan penyambungan penghantar, tahanan jepit harus dibuat nol. Tahanan isolasi adalah tahanan antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya dan/atau dengan lingkungan sekitarnya (termasuk wadah tempat dudukan penghantar), yang berfungsi untuk mencegah arus listrik mengalir dari penghantar (arus bocor) ke lingkungan sekitarnya. Tahanan isolasi dibuat setinggi mungkin, sehingga arusnya adalah nol. Semakin tinggi tegangan listrik melalui suatu penghantar, maka semakin besar tahanan isolasi yang diperlukan untuk mencegah arus bocor.


Phenomena

2

Bahan isolasi suatu penghantar telah dipilih dan dipasang sesuai dengan tegangan listrik yang mengalirinya. Jika tegangan listrik yang melaluinya dinaikkan, maka pada satu tegangan tertentu arus akan bocor melalui isolasi tersebut; tegangan tersebut disebut sebagai tegangan tembus. Tahanan isolasi pada saat tembus tersebut disebut tahanan tembus. Isolasi terpasang pada penghantar telah ditetapkan tahanan dan atau tegangan tembusnya. Namun karena kondisi operasi tahanan tembus tersebut dapat berubah besarnya. Sehingga secara berkala isolasi suatu penghantar harus diperiksa/diukur tegangan tembusnya untuk mengetahuinya apakah masih dalam batas aman. Isolator atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik. Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar arus adalah :

�=

� �

Dimana: R

= Tahanan kawat listrik dalam satuan Ohm (Ω)

G

= Daya hantar arus dalam satuan mho (Υ)

Isolasi yang digunakan dapat berupa bentuk isolasi padat, Cair dan Gas

1.2

Tegangan Listrik

Tegangan atau beda potensial adalah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar satu coulomb) pada elemen atau komponen dari satu terminal/kutub ke terminal/kutub lainnya, atau pada kedua terminal/kutub akan mempunyai beda potensial jika kita menggerakkan/memindahkan muatan sebesar satu coulomb dari satu terminal ke terminal lainnya. Keterkaitan antara kerja yang dilakukan sebenarnya adalah energi yang dikeluarkan, sehingga pengertian diatas dapat dipersingkat bahwa tegangan adalah energi per satuan muatan. Secara matematis di rumuskan dalam persamaan berikut ini:

�=

 �

Dimana: V

= Beda potensial atau tegangan, dalam volt


Phenomena

3

w

= Usaha, dalam newton-meter atau Nm atau joule

q

= Muatan listrik, dalam coulomb

Simbol satuan untuk Volt yaitu V (baca: Volt). Satuan SI yang ditetapkan 1 V didefinisikan dengan aturan sbb: Satu Volt adalah beda potensial antar a dua titik saat melakukan usaha satu joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb. Untuk mendapatkan aliran listrik harus ada perbedaan potensial antara dua titik/terminal. Beda potensial antara dua titik ini disebut perbedaan tegangan atau tegangan saja dengan simbol V dalam satuan Volt (V). Dengan kata lain tegangan adalah gaya yang mendorong elektron-elektron untuk berpindah/bergerak disepanjang penghantar, sehingga disebut juga gaya gerak listrik (GGL). Bila beda potensial antara dua terminal konduktor dinaikan, maka jumlah elektron yang mengalir akan bertambah banyak sehingga arus pun bertambah besar pula.Pada rangkaian listrik dibedakan beberapa macam tegangan, yaitu tegangan sumber dan tegangan jatuh. A rus

I 1

+

U1

Tahanan 1 Us

2

U2

Tahanan 2 3

-

Gambar 2. Tegangan sumber dan tegangan jatuh

Seperti yang terlihat pada gambar diatas bahwa tegangan sumber (simbol Us) adalah tegangan yang dibangkitkan didalam sumber tegangan. Dengan demikian maka tegangan sumber

merupakan

penyebab

atas

terjadinya

aliran

arus.

Tegangan

sumber

didistribusikan ke seluruh rangkaian listrik dan digunakan pada masing-masing beban disebut sebagai tegangan jatuh pada beban. Antara dua titik yang manapun pada rangkaian arus misalnya antara 1 dan 2 atau antara titik 2 dan 3, merupakan tegangan jatuh pada beban.

1.3

Arus Listrik

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir dari suatu titik yang berpotensial tinggi ke titik yang berpotensial rendah dalam waktu satu detik. Peristiwa


Phenomena

4

mengalirnya arus listrik disebabkan karena adanya elektron yang bergerak. Arus listrik juga dapat diartikan sebagai besarnya tegangan dibagi besarnya resistansi. Simbol dari arus listrik adalah "I", dan terbagi menjadi arus listrik searah (DC) dan arus listrik bolak balik (AC). Definisi arus listrik arus searah secara sederhana dapat kita artikan bahwa arus listrik mengalir secara searah (direct) sehingga pada rangkaian ini ditentukan adanya kutub positif (+) dan kutub negatif (-). Arus akan mengalir dari kutub positif ke kutub negatif (gambar 3). Sedangkan pada arus listrik bolak balik, arus akan mengalir secara bolak-balik karena disebabkan perubahan polaritas tegangan (AC).

Gambar 3. Arah arus listrik dan arah gerakan electron

Satuan SI yang ditetapkan untuk arus listrik adalah Ampere. Simbol formula untuk arus listrik adalah I. Satuan SI yang ditetapkan 1 A didefinisikan dengan aturan sbb: 1 (satu) ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 628 x 1016 atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor. Kuat arus listrik adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang berpindah melewati suatu penampang dalam satuan waktu, dimana dapat dirumuskan dengan persamaan:

�=

� �

Dimana: I

= Kuat arus dalam satuan Ampere

Q

= Banyaknya muatan listrik dalam satuan Coulumb

t

= waktu dalam satuan detik

Rapat arus adalah besarnya arus tiap-tiap mm 2 luas penampang kawat. Rumus dibawah ini menghitung besarnya rapat arus sebagai berikut:

�=


Phenomena

� �

5

Dimana: S

= Rapat arus dalam satuan A/mm 2

I

= Kuat Arus dalam satuan A

A

= Luas Penampang kawat dalam satuan mm2

Gambar 4. Rapat arus listrik

Arus

listrik

mengalir

dalam

kawat

penghantar

secara

merata

menurut

luas

penampangnya. Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang 4mm², maka kerapatan arusnya 3A/mm² (12A/4 mm²), ketika penampang penghantar mengecil 1,5mm², maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm² (12A/1,5 mm²). Kerapatan arus berpengaruh pada kenaikan temperatur, dimana kemampuan hantar arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA). Table 1. Contoh Tabel KHA

Berdasarkan tabel KHA kabel pada tabel diatas, kabel berpenampang 4 mm², 2 inti kabel memiliki KHA 30A, memiliki kerapatan arus 7,5A/mm². Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar, semakin besar penampang penghantar kerapatan arusnya mengecil. Jumlah arus listrik yang mengalir menuju percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari percabangan, sesuai dengan hokum Kirchoff.


Phenomena

6

Gambar 5. Hukum Kirchoff

� �+ � �= � �+ � �+ � �

1.4

Hubungan Tegangan, Arus dan Hambatan Listrik

Bila kita bandingkan 2 tangki air yang sama dengan permukaan air yang berbeda. Aliran/arus air pada gambar A akan lebih besar dari pada aliran/arus air pada gambar B. ini disebabkan karena gaya untuk mendorong air keluar dari tangki A lebih besar dari gaya untuk mendorong air keluar dari tangki B. besar kecilnya gaya disebabkan oleh besar kecilnya perbedaan permukaan air.

Gambar 6. Tangki Air dengan permukaan air berbeda

Untuk permukaan air yang sama tapi dengan saluran yang berbeda maka pada saluran yang panjang aliran air lebih kecil dari pada saluran pendek. Hal ini disebabkan karena gesekan atau hambatan saluran yang panjang lebih besar dari pada gesekan atau hambatan dari saluran yang pendek.


Phenomena

7

Gambar 7. Tangki Air dengan saluran air berbeda

Prinsip ini dapat dianalogikan dengan aliran arus listrik. Besarnya arus dalam suatu rangkaian tergantung pada 2 faktor, yaitu:

 Gaya/tegangan dalam Volt yang mendorong arus agar dapat mengalir di dalam rangkaian, dimana makin besar tegangan yang diberikan maka semakin besar arus yang mengalir.

 Tahanan listrik yang cenderung menahan aliran arus didalam rangkaian, dimana makin besar tahanan maka semakin kecil arus yang mengalir dalam rangkaian. Jadi besarnya arus mengalir dalam suatu rangkaian tergantung tegangan dan tahanan listrik, yaitu sebanding dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan tahanan listrik, dimana dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:

�=

� �

Dimana: I

= Arus dalam satuan Ampere (A)

R

= Tahanan dalam satuan Ohm (Ω)

V

= Tegangan dalam satuan Volt (V)

1.5

Daya Listrik

Daya listrik adalah besar energi listrik yang ditransfer oleh suatu rangkaian listrik tertutup. Daya listrik sebagai bentuk energi listrik yang mampu diubah oleh alat-alat pengubah energi menjadi berbagai bentuk energi lain, misalnya energi gerak, energi panas, energi


Phenomena

8

suara, dan energi cahaya. Selain itu, daya listrik ini juga mampu disimpan dalam bentuk energi kimia (Baterai). Daya didefinisikan sebagai kecepatan melakukan kerja atau usaha setiap satuan waktu. Secara matematis pernyataan itu dapat ditulis sebagai berikut.

�=

� �

Dimana: P

= Daya (Watt)

W

= Usaha (Joule)

t

= Waktu (detik)

Namun, berkaitan dengan perubahan bentuk energi listrik, daya listrik dapat di definisikan sebagai kecepatan perubahann energi listrik menjadi energi bentuk lain. Berdasarkan persamaan energi listrik.

� = �× � � = �× �× � Dimana: P

= Daya listrik dalam satuan Watt (W)

V

= Tegangan listrik dalam satuan Volt (V)

I

= Kuat arus listrik dalam satuan Ampere (A)

Jika dihubungkan dengan hukum Ohm V = IR. Persamaan daya listrik juga dapat dirumuskan:

� = �� = �


Phenomena

9

1.6

Listrik AC

Sebuah generator AC mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Teori magnet yang memungkinkan generator untuk menghasilkan tegangan AC. Hal ini karena arus pada konduktor menghasilkan medan magnet di sekitar konduktor tersebut. Perubahan medan magnet (medan magnet yang berubah-ubah) memotong konduktor menghasilkan tegangan di konduktor. Demikian juga, jika konduktor terletak pada medan magnet, dimana medan magnet yang memotong konduktor atau konduktor yang bergerak memotong medan magnet maka tegangan terinduksi dalam konduktor. Efek ini disebut induksi elektromagnetik.

Gambar 8. Prinsip GGL Induksi

1.6.1 Prinsip Listrik AC Di bawah ini adalah generator AC sederhana dengan kawat tunggal dalam rangkaian tertutup (loop). Gambar ini menunjukkan loop kawat berputar searah jarum jam melalui medan magnet. Hal ini akan menunjukkan grafik gelombang sinus yang merupakan representative tegangan dan arus. Kumparan/konduktor akan mencakup putaran sebesar 360 derajat dan akan menunjukkan perbedaan di setiap titiknya. Kumparan berputar dibagi menjadi dua bagian yaitu hitam dan putih untuk mengetahui atau membedakan posisi kumparan. Langkah 1: Pada saat kumparan pada posisi titik 0 derajat dan tidak ada rotasi, maka tidak ada tegangan yang dihasilkan dan tidak ada bagian dari gelombang sinus yang muncul pada sumbu horisontal dan vertikal.


Phenomena

10

Gambar 9. Kumparan Posisi 0 Derajat

Langkah 2: Kumpuran bergerak dari titik awal 0 derajat sampai 90 derajat. Kumparan berputar 0-90 derajat, memotong semakin banyak garis fluks. Pada saat kumparan memotong garis fluks dipotong, tegangan yang dihasilkan dalam arah positif.


Langkah 3: Kumparan bergerak dari titik 90 -180 derajat. Kumparan akan terus berputar, mulai dititik 90 derajat maka kumparan memotong semakin sedikit garis fluks. Oleh karena itu, tegangan yang dihasilkan maksimum kembali menuju ke nol.


Langkah 4: Kumparan bergerak dari titik 180-270 derajat. langka ke 4 ini seperti dengan Langkah 2, akan tetapi tegangan yang dihasilkan dalam arah negative.


Phenomena

11


Langkah 5: Kumparan bergerak dari titik 270 ke 360 derajat. langkah ke 5 ini seperti dengan Langkah 3, akan tetapi tegangan yang dihasilkan dalam arah negatif. Setelah mencapai titik 0 derajat dan satu putaran (cycle) 360 derajat lengkap telah selesai. Pada titik ini,

kumparan kembali ke posisi awal aslinya dan satu siklus telah selesai. Jika

kumparan terus berputar, siklus akan terus mengulang


Besaran AC gelombang sinus bervariasi dalam arah (polaritas) dan besarnya. Berbeda dengan gelombang DC yang dianggap stabil, tidak berubah terhadap waktu, dengan arau gelombang satu arah. Arah (polaritas) dari gelombang AC umumnya bolak-balik secara siklus, yaitu, gelombang bernilai positif dan negatif secara bergantian.

Gambar 14. perbandingan gelombang AC dan DC


Phenomena

12

Arus bolak balik yang dihasilkan mempunyai bentuk gelombang sinus dan kurva nya disebut sinusoida.

Gambar 15. Bentuk gelombang AC 1 fasa

Nilai listrik AC selalu berubah-ubah terhadap waktu, maka berbagai nilai dalam listrik AC. Nilai-nilai tersebut adalah : a. Nilai puncak (Peak Value) - Amplitudo Nilai puncak adalah nilai maksimum dari amplitudo gelombang sinus dua kali dalam satu siklus, dimana terjadi dalam setengah siklus positif maupun negatif. Nilai puncak diberi tanda ’^’ atau index ’p’, misalnya arus puncak = Ip.

Gambar 16. Nilai puncak

b. Nilai puncak ke puncak (Peak to Peak Value) Nilai puncak ke puncak adalah nilai dari puncak positif hingga puncak negatif atau sebaliknya.


Phenomena

13

Gambar 17. Nilai puncak ke puncak

c. NilaiSesaat (Instaneous Value) Nilai sesaat adalah nilai pada satu titik waktu tertentu dari nol sampai nilai puncak. Nilai arus AC selalu berubah setiap saat secara terus menerus. Tegangan atau arus sesaat diberi simbol dengan huruf kecil v dan i.

. Gambar 18. Nilai Sesaat

d. Nilai rata-rata (Average Value) Nilai rata-rata satu siklus lengkap adalah sama dengan nol. Area diantara kurva dan sumbu waktu menunjukkan jumlah listrik yang telah mengalir selama selang waktu tersebut. Karena bentuk kurva simetris sempurna, maka jumlah listrik yang mengalir pada setengah siklus pertama sama dengan arus yang mengalir pada setengah siklus berikutnya tetapi dalam arah yang berlawanan. Oleh karena itu nilai rata-rata arus AC sama dengan nol.


Phenomena

14

e. Nilai efektif (Effective Value) RMS Seperti yang diperlihatkan dalam gelombang sinusoidal bahwa ada beberapa bilai yang berbeda dari tegangan dan arus bolak-balik, nilai efektif dikembangkan untuk menerjemahkan nilai yang berbeda tersebut menjadi setara dengan nilai AC. Hal ini dikenal dengan nilai RMS (root-mean-square).

Gambar 19. Nilai Efektif

Sebagai contoh rumah rata-rata menggunakan 220 volt, yang merupakan nilai RMS. Nilai efektif menjadi sekitar 0,707 kali nilai puncak. Rumusnya adalah sebagai berikut:

� � �= � .� � �× � � � � Kita perlu memiliki nilai yang dapat digunakan untuk perhitungan yang menunjukkan jumlah arus listrik. Nilai Efektif adalah Nilai dari gelombang Arus bolak-balik sinusoida dimana pada nilai tersebut Tegangan/Arus akan menyerap daya atau menghasilkan jumlah kalor yang sama dengan daya yang diserap oleh Tegangan/Arus searah.

1.6.2 Frekuensi Frekuensi adalah banyaknya siklus (gelombang) dalam setiap detik dan diberi simbol f. Satuan untuk frekuensi adalah Hertz (Hz) atau cycle per second (c/s). Didalam sistem kelistrikan frekuensi hanya terdapat pada arus bolak-balik (AC). Pada arus searah (DC) tidak ada frekuensi karena besar dan arah nya tetap pada setiap saat. Standar frekuensi listrik di Indonesia adalah 50 Hz. Oleh karena itu apabila generator unit pembangkit diputar oleh turbin dengan kecepatan 3000 rpm, maka jumlah kutub magnetnya adalah 2 atau satu pasang. Jumlah kutub magnet suatu generator ditentukan berdasarkan putaran kerja dan frekuensi generator yang dinginkan.


Phenomena

15

Frekuensi listrik harus dijaga konstan sepanjang waktu, karena perubahan frekuensi akan menyebabkan berubahnya putaran motor atau clock waktu. Indikator kualitas listrik yang baik salah satunya ditunjukkan dengan frekuensi yang stabil. Hubungan

antara frekuensi

dengan

perioda

dapat dituliskan

dengan

formula

berikut: �=

� �

Dimana: f

= Frekuensi

T

= Periode

Periode adalah waktu yang diperlukan oleh arus bolak-balik untuk kembali pada harga yang sama dan arah yang sama (1 cycle). Frekuensi system PLN adalah 50 Hz, sehingga dalam satu detik dihasilkan 50 cycle gelombang listrik. Besarnya frekuensi yang dibangkitkan oleh generator ditentukan oleh kecepatan putar medan magnet dan banyaknya kutub atau pasang kutub magnet. Atau dapat ditulis dengan formula : �=

�× � � �

Dimana: f

= Frekuesi

n

= Kecepatan putar generator

p

= Jumlah pole generator

Jadi apabila suatu generator mempunyai magnet empat kutub (1 pasang) pada rotornya berputar dengan kecepatan 3000 rpm, maka frekuensi yang dihasilkan adalah: � � � � � � = =� � �

Sehubungan dengan persamaan ini,maka untuk frekuensi (f) = 50 Hz, harga P dan N dapat ditabelkan sebagai berikut:


Phenomena

16

Table 2. Perbandingan jumlah kutub dan kecepatan putar

P

2

4

6

12

24

N

3000

1500

1000

500

250

1.6.3 Listrik AC 3 Fasa Sumber 3 fasa pada umumnya dihasilkan dalam suatu sistem generator, dimana elemen dasar dari generator 3 fasa terdiri dari batang magnet yang berputar dan kawat kumparan (belitan-belitan) stationer yang disusun sedemikian rupa sehingga masing-masing susunan belitan menghasilkan tegangan dengan perbedaan fasa sebesar 120°.

Gambar 20. Gelombang listrik AC 3 fasa

Gambar 21. Lilitan Generator


Phenomena

17

Dalam listrik 3 fasa terdapat konfigurasi hubungan bintang dan hubungan delta, pengertian hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut: a. Sambungan Segitiga (Delta) Pada sambungan segitiga, ujung – ujung permulaan dari satu fasa disambung pada ujung penghabisan dari fasa yang berikutnya. Dengan demikian fasa tersebut tersambung seri dan merupakan suatu lingkaran tertutup, seperti diperlihatkan pada titik sambungan XW;

Y U; dan ZV , yang kemudian dipasangkan saluran jaringan R, S, dan T.

Gambar 22. Sambungan delta (segitiga)

pada sambungan segitiga terdapat tegangan-tegangan jaringan (fasa-fasa) yang sama besarnya dengan tegangan fasa.

��= � �; ��= � �; �� = � � Dengan cara vektor dapat dicari dan terdapatlah Arus jaring-jaring (net) yang besarnya:

�= � �× √ �; � �× √ �; � �× √ � �= � � �= � Jadi pada sambungan sigitiga terdapat Arus Jaring net yang besarnya √ 3 kali lebih besar dari pada Arus fasa.

b. Sambungan Bintang Pada sambungan bintang, ujung-ujung permulaan dari ketiga fasa

X, Y, dan Z

disambungkan pada ujung-ujung U, V, dan W. Jika pada titik 0 (nol) juga disambungkan satu kawat terdapatlah saluran ke empat yang dinamakan Saluran Nol. (0). Suatu jaringan yang mempunyai 4 saluran dinamakan jaringan saluran empat, jika suatu jaringan yang tidak mempunyai


4 saluran maka jaringan semacam ini dinamakan

Phenomena

18

jaringan saluran tiga . Pada gambar nampak jelas bahwa antara saluran jaringan R, S, dan T serta saluran Nol (0) terdapat tegangan fasa e1, e2, dan e3.

Gambar 23. Sambungan bintang (Wye)

pada sambungan Bintang terdapat arus jaringan (net) yang sama besarnya dengan arus fasa.

��= � � �; � �; � �= � �= � Dengan cara vektor dapat dicari dan terdapatlah Tegangan jaring – jaring (net) yang besarnya :

��= � �× √ �; ��= � �× √ �; �� = � �× √ � Jadi pada sambungan bintang terdapat Tegangan Jaring-jaring (net) yang besarnya

3

(baca akar tiga) kali lebih besar dari pada tegangan fasa

1.6.4 Beban Listrik AC Rangkaian listrik arus bolak-balik yang merupakan beban generatorr pada dasarnya terdiri dari tiga komponen, yaitu:

 Resistif (R)  Induktif (L)  Kapasitif (C) Di dalam kenyataannya beban generator atau sistem tenaga listrik tidak pernah hanya terdiri dari beban resistif murni saja, atau bebas induktif murni saja atau beban kapasitif


Phenomena

19

murni saja, tetapi merupakan gabungan dari dua atau tiga jenis beban tersebut.

A.

Beban Resistif (R)

Rangkaian listrik yang hanya terdiri dari tahanan (resistor) disebut rangkaian tahanan murni. Peralatan listrik yang mempunyai tahanan murni contohnya resistor elemen pemanas dan lampu pijar. Pada peralatan ini nilai induktansi dan kapasitansinya dapat diabaikan. Bila suatu rangkaian arus bolak-balik hanya terdiri dari tahanan murni, maka berlaku hukum ohm dan formula lain sebagaimana yang diterapkan pada rangkaian arus searah. Pada rangkaian tahanan murni arus sefasa dengan tegangan seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 24. Arus Sefasa dengan Tegangan

Pengaruh beban resistif pada generator akan menimbulkan reaksi jangkar pada stator sehingga timbul medan magnit yang arahnya melawan medan magnit rotor, akibatnya putaran rotor turun, Karena putaran turun maka frekuensi dan tegangan juga akan turun. Untuk memulihkannya ke kondisi normal, maka putaran (aliran uap) harus di tambah. Akibat timbulnya medan magnit pada stator, maka pada inti kumparan stator terjadi pemanasan (kenaikan temperatur) atau biasanya di sebut core end heating.

B.

Beban Induktif (L)

Arus listrik yang mengalir didalam penghantar akan menimbulkan medan magnet disekitarnya dengan arah garis gaya magnetnya mengelilingi penghantar tersebut. Kuat Simple Inspiring Performing

Phenomena

20

medan magnet tergantung pada besarnya arus yang mengalir. Jika arus yang mengalir naik, kuat medan magnetnya juga naik melebar keluar dari pusat penghantar, demikianlah sebaliknya. Melebar dan mengecilnya medan magnet akibat variasi arus bolak-balik yang mengalir menyebabkan garis gaya magnet memotong penghantar dan membangkitkan gaya gerak listrik didalam penghantar. Arah dari ggl induksi ini sedemikian rupa, sehingga melawan gerakan

arus yang

membangkitkannya (lihat hukum Lenz). Oleh karena itu ggl ini disebut ggl lawan. Bila arus dalam suatu rangkaian listrik berubah, rangkaian ini mencoba melawan perubahan itu. Sifat dari rangkaian yang melawan perubahan disebut "induktansi" dan rangkaiannya disebut induktif. Simbol untuk induktansi adalah L dan satuannya adalah Henry. Didalam rangkaian induktif, jika arus naik rangkaian menyimpan energi didalam medan magnet. Jika arus berkurang rangkaian mengeluarkan energi dari medan magnet tadi. Rangkaian yang terdiri dari kumparan dengan inti besi mempunyai induktif yang lebih tingggi

dibanding yang hanya terdiri dari rangkaian penghantar saja. Oleh karena itu

induktansi membangkitkan ggl lawan yang melawan atau menunda perubahan arus, karena sifat ini maka suatu rangkaian arus bolak-balik yang berisi induktansi tinggi (murni), menyebabkan arus tidak naik dan turun secara bersamaan dengan tegangan. Arus tertinggal seperempat siklus atau 90º di belakang tegangan

sepanjang siklus

atau

dikatakan arus tidak sefasa lagi dengan tegangan dengan sudut 90º, seperti pada gambar 25. Tetapi didalam penerapannya tidak ada rangkaian listrik induktif murni. Dalam rangkaian induktif selalu terdapat tahanan R, sehingga didalam rangkaian induktif arus tertinggal dari tegangan dengan sudut kurang dari 90º. Besarnya sudut ini tergantung pada seberapa besar kandungan tahanan induktansi. Karena induktansi menyebabkan perlawanan terhadap aliran arus, maka disebut "Reaktansi induktif" dan diberi simbol X L dengan satuan Ohm. Reaktansi induktif tidak hanya tergantung pada induktansi , tetapi juga pada frekuensi. Hal ini karena makin tinggi frekuensi makin besar laju perubahan arus dan medan magnetnya, sehingga makin besar ggl lawan yang dinduksikan, seperti pada persamaan dibawah ini :

� � � ��= � Dimana : XL

= Reaktansi Induktif

f

= Frekuensi



= 3,14

L

= Induktansi


Phenomena

21

Gambar 25. Arus Tertinggal dari Tegangan

Pengaruh beban induktif terhadap generator adalah pemanasan pada kumparan rotor. Beban induktif menyebabkan tegangan turun dan faktor daya rendah, sementara arus generator naik akibat reaksi jangkar di stator. Akibat selanjutnya tegangan cenderung turun

sehingga untuk mengembalikan ke harga normal arus eksitasi harus ditambah.

Penambahan arus eksitasi ini akan menyebabkan pemanasan pada rotor.

C.

Beban Kapasitif (C)

Apabila induktansi bersifat selalu melawan perubahan arus, maka kapasitansi bersifat menahan perubahan tegangan. Kapasitansi timbul dalam rangkaian listrik karena terdapat bagian yang dapat menyimpan muatan listrik. Untuk melihat pengaruh kapasitansi terhadap tegangan, lihat gambar di bawah ini. Sebelum switch ditutup tegangan antara plat adalah nol dan tidak ada arus mengalir. Ketika switch ditutup, satu sisi plat terhubung ke terminal positif baterai dan plat yang lain keterminal negatif. Akibatnya elektron (arus listrik) akan mengalir dan memuati plat. Pada mulanya arusnya besar, tapi makin lama makin kecil dan akhirnya arus berhenti mengalir ketika muatan listrik di plat sudah penuh dan tegangan diantara plat sama dengan tegangan baterai (sumber).


Phenomena

22

Gambar 26. Pengaruh Kapasitansi Terhadap Tegangan

Kejadian memuati listrik ke dalam kedua plat hingga bertegangan disebut kapasitansi dan rangkaian kedua plat disebut kapasitor atau kondensor. Jadi kapasitansi melawan perubahan tegangan dan menunda timbulnya tegangan. Bila switch dibuka muatan listrik tetap berada di dalam kedua plat atau kapasitor tetap menyimpan energi listrik. Muatan ini akan berkurang dan

bahkan habis (discharge), apabila diantara kedua plat

dihubungkan kesuatu beban (rangkaian). Proses pengisian (charging) dan pembuangan muatan (discharging) pada kapasitor akan terjadi berulang-ulang, apabila kapasitor dihubungkan ke sumber arus bolak-balik. Oleh karena kapasitansi

memyebabkan

penundaan timbulnya tegangan , maka arus dan tegangan menjadi tidak sefasa. Didalam rangkaian kapasitif arus mendahului tegangan dengan sudut 90°. Tetapi karena tidak ada rangkaian listrik, yang hanya terdiri dari kapasitansi murni, melainkan selalu dibarengi adanya tahanan (resistansi),

maka besarnya

sudut fasa

anatara arus dan tegangan tidak sampai 90°. Karena kapasitansi menyebabkan perlawanan terhadap perubahan tegangan, maka disebut reaktansi kapasitif, dan diberi simbul XC dengan satuan Ohm. Besarnya reaktansi kapasitif tidak hanya tergantung pada kapasitansi tetapi juga pada frekuensi. Bila frekuensi atau kapasitansi naik, reaktansi kapasitif turun.

� � � �� = � �= � � � � �

� � � � �

Dimana: C = kapasitansi Simple Inspiring Performing

Phenomena

23

Xc = Reaktansi Kapasitif

Gambar 27. Kurva dan vektor beban kapasitif

Pengaruh beban kapasitif terhadap generator adalah meningkatnya suhu stator, karena adanya penguatan medan magnet dari luar (sistem). Beban kapasitif menyebabkan tegangan cenderung naik karena adanya penambahan eksitasi dari luar, akibatnya kumparan stator menjadi lebih panas sedang arus eksitasi ke rotor menjadi kecil sehingga generator cenderung beroperasi ke daerah tidak stabil.

1.6.5 Daya dan Energi listrik AC Bila arus mengalir melalui suatu hambatan, maka timbul panas pada hambatan tersebut. Lalu disebut apakah panas yang timbul itu, Dalam ilmu listrik ada dua istilah dan keduanya mempunyai definisi yang sama. Istilah tersebut adalah “Daya” dan “Energi”. Energi listrik adalah kemampuan sistem listrik untuk melakukan kerja. Satuan pengukuran energi listrik adalah Joule atau Watt jam.

Gambar 28. Rangkain Daya Listrik 1 Fasa

Disebut kerja (usaha) telah dilakukan, apabila muatan sebesar Q (Coulomb) berpindah melalui perbedaan tegangan V (Volt.)


Phenomena

24

� � � �= �× � � � � � �

� � = �× ��

� = �× �× �� Sedangkan daya listrik adalah laju (rate) dari kerja yang dilakukan. Karena Joule adalah satuan kerja, maka daya di ukur dalam Joule per detik. Istilah yang lebih umum untuk satuan daya daya adalah adalah Watt.

�=

� �

�= �× �(� �) � � Di dalam rangkaian arus arus bolak-balik ada tiga macam daya, yaitu :

A.



Daya nyata (aktif)



Daya semu



Daya reaktif

Daya nyata (true power)

Daya nyata adalah daya yang dapat dilihat hasilnya dan merupak an hasil perkalian antara arus dan tegangan dengan faktor daya (� � �∅), dalam satuan watt dimana dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:

�= �. �. � � �∅ Faktor daya adalah pergeseran fasa antara arus dan tegangan. Di dalam rangkaian arus bolak-balik, beban rangkaian merupakan gabungan dari beban R, L dan C. Oleh karena itu selalu timbul perbedaan fasa antara arus dan tegangan. Besarnya sudut pergeseran fasa tergantung dari kandungan L dan C dalam rangkaian. Faktor daya atau Cos



merupakan perbandingan antara hambatan R dan impedansi Z. Bila dalam arus searah berlaku hukum Ohm untuk mencari hubungan antara, arus dan hambatan, maka dalam arus bolak-balik formula tersebut berlaku. Tetapi hambatan arus bolak-balik adalah impedansi Z. Impedansi adalah hasil penjumlahan secara aljabar dari R, XL, dan XC atau ditulis :

�= √ �� + (� �− ��)�


Phenomena

25

Sehingga besarnya arus dapat dicari dengan menggunakan hukum Ohm.

�=

� �

Daya nyata merupakan daya yang menghasilkan panas setara dengan panas yang dihasilkan peralatan tersebut bila dialiri arus searah.

B.

Daya Reaktif (Reaktif Power)

Daya reaktif adalah daya hasil perkalian antara arus dan tegangan dengan ��∅, dan satuannya adalah Voltampere reaktif (Var).

� = �. �. � � �∅ Ini adalah daya yang tidak menghasilkan kerja (panas) atau daya yang tidak berguna (Wattless power), tetapi selalu timbul di dalam rangkaian arus bolak-balik. Daya ini tidak menghasilkan panas tetapi memerlukan arus untuk energis atau memuati rangkaian induktif atau kapasiti k apasitif. f.

C.

Daya Semu (Apparent power)

Daya semu adalah daya yang mengabaikan adanya beban induktif dan beban kapasitif, atau perkalian antara arus dan tegangan dengan satuan Volt ampere.

�= � .� Suatu rangkaian listrik arus bolak-balik secara teoritis tidak mungkin hanya terdiri dari beban R, sehingga arus sefasa dengan tegangan. Oleh karena itu daya ini disebut daya semu, karena dalam prakteknya kemungkinan arus sefasa dengan tegangan kecil sekali. Hubungan diantara ketiga daya dapat membentuk suatu segitiga dan disebut segitiga daya.


Phenomena

26

Gambar 29. Segitiga Daya � ��= ��+ �

Sudut antara daya nyata dengan daya semu adalah sudut ∅, dan faktor daya juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan antara daya nyata dengan daya semu.

� � �∅ =

� �

Daya listrik Generator sistem 3 fasa, seperti diperlihatkan pada gambar sebagai berikut:

Gambar 30. Rangkaian Daya Generator 3 Fasa

�+ � � �� = ��+ � �� = �� = �� ∅ . ��. � � �

� � �� = � . ��. � � �∅ √ � �� = √ �� . ��. � � �∅ �


Phenomena

27

1.7

Prinsip Elektromagnet

Medan magnet sangat berperan dalam proses konversi energi. Melalui media medan magnet, bentuk energi mekanik dapat diubah menjadi energi listrik, alat konversinya disebut generator, atau sebaliknya dari bentuk energi listrik menjadi energi mekanik, alat konversinya disebut motor. Pada transformator, gandengan medan magnet berfungsi untuk memindahkan dan mengubah energi listrik dari rangkaian primer ke sekunder melalui prinsip induksi elektromagnetik. Dari sisi pandangan elektris, medan magnet dapat menginduksikan tegangan pada penghantar,

sedangkan

dari

sisi

pandangan

mekanis,

medan

magnet

dapat

menghasilkan menghasilkan gaya dan kopel. Keutamaan medan magnet dalam proses konversi energi disebabkan terdapatnya bahanbahan magnetic yang memungkinkan diperolehnya kerapatan energi yang tinggi, kerapatan energi yang tinggi ini akan menghasilkan kapasitas daya per unit volume mesin yang tinggi pula. Jelaslah bahwa pengertian kuantitatif tentang medan magnet dan rangkaian magnet merupakan bagian penting untuk memahami proses konversi energi listrik.

1.7.1 Medan Magnet Dan Medan Listrik Magnet dan listrik sangat erat kaitannya, diaman terdapat tiga dasar hubungan antara magnet dan listrik yaitu: akan selalu menghasil menghasilkan kan medan magnet  Aliran arus akan



Magnet digunakan untuk memproduksi atau menghasilkan listrik



Perilaku listrik dalam kondisi tertentu disebabkan oleh pengaruh magnet.

Setiap magnet dikelilingi oleh medan magnet yang terdiri dari garis fluks yang bergerak dari satu ujung magnet ke lainnya serta bergerak didalam magnet sendiri. Kutub Utara dan selatan saling tarik menarik satu sama lain karena kutub berlawanan.


Phenomena

28

Gambar 31. Medan Magnet

Medan magnet terbentuk dari gerakan elektron, mengingat arus listrik melalui penghantar merupakan aliran elektron, maka di sekeliling kawat listrik tersebut akan ditimbulkan suatu medan magnet. Medan magnet memiliki arah, kerapatan, dan intensitas yang digambarkan sebagai “garis-garis fluks” dan dinyatakan dengan simbol ɸ (fluks) dalam besaran Weber.

Gambar 32. Elektromagnet

Besaran kerapatan medan magnet atau disebut juga kuat medan magnet dinyatakan dengan besarnya fluks sepanjang jarak tertentu dan mempunyai symbol B adalah kerapatan fluks dalam Weber/meter 2 (Wb/m2). Intensitas medan magnet disebut sebagai kuat medan dan dinyatakan dengan besarnya fluksi sepanjang jarak tertentu, mempunyai symbol: H adalah kuat medan dalam ampere /meter (A/m).


Phenomena

29

Kerapatan medan magnet B maupun kuat medan magnet H merupakan vector yang mempunyai besaran dan arah, yang memiliki hubungan:

� �= � Dimana: µ adalah permeabilitas dalam Henry/meter (H/m) Permeabilitas pada ruang bebas (udara), µo mempunyai nilai 4π x 10-7 H/m. material seperti besi dan nikel mempunyai permeabilitas yang relative lebih tinggi dan biasanya disebut sebagai material yang mempunyai karakteristik feromagnet. Besaran fluks dapat dinyatakan dengan:

� .� ∅ = ∫ � Dimana dA adalah unsur luas

Gambar 33. Rangkaian sederhana Magnet

Hubungan antara arus listrik dan medan magnet dinyatakan oleh hukum ampere, dan untuk rangkaian sederhana seperti pada gambar 33, persamaannya adalah

�. �= �. �� . �� Dimana N

= Jumlah lilitan

i

= Arus listrik (A)

H

= Kuat Medan Magnet (A/m)

L

= Panjang Jalur (m)


Phenomena

30

1.7.2 Induksi Tegangan – Hukum Faraday Apabila besarnya fluks magnet berubah-ubah terhadap waktu, akibat arus AC yang berbentuk sinusoidal, suatu tegangan akan dibangkitkan dan diinduksikan. Hubungan ini dinyatakan oleh hukum faraday. Medan magnet atau fluks yang berubah-ubah pada inti besi menghasilkan gaya gerak listrik (ggl) sebesar:

ɸ/� � � = −�� = −� /� � Dimana

λ = N. ɸ merupakan fluks magnet ɸ menyatakan besarnya fluks magnet yang berubah-ubah terhadap waktu. Perubahan fluks yang akan menghasilkan listrik (ggl) terjadi karena: a. Perubahan fungsi waktu (t), akibat arus bolak-balik yang terbentuk sinusoid seperti diuraikan diatas b. Fungsi putaran (θ), akibat berputarnya rotor pada mesin-mesin dinamis. Secara lebih terperinci, hukum faraday dapat dituliskan sebagai berikut:

Edl



d BdA dt s

eind



d  dt

Oleh karena flux linkage ( λ), merupakan fungsi putaran ( θ) dan fungsi waktu (t), maka:

eind  

d dt

d  ( ,t ) 

 ( , t )

  d   dt   t

               t   t

eind   

Atau

e(induksi)


 e(rotasi)  e(transformasi)

Phenomena

31

Untuk transformator hanya terdapat gejala induksi karena transformasi yaitu e (transformasi). Untuk mesin searah hanya terdapat e (rotasi), sedangkan pada mesi arus bolak balik terdapat e (rotasi) maupun e (transformasi).

1.7.3 Konsep Rangkaian Magnet Arus listrik (i ) yang dialirkan melalui penghantar yang dibelitkan pada inti besi yang berbentuk cincin toroidal, akan menghasilkan medan magnet yang sebanding dengan jumlah lilitan (n) dikalikan dengan besaran arus listrik ( i ). Ampere-turn Ni ini dikenal sebagai gaya gerak magnet (ggm) dan dinyatakan dengan notasi F

� � �= � �� .� � � � � Gaya gerak magnet (ggm) adalah perbedaan potensial magnet yang cenderung menggerakkan fluks disekitar cincin toroidal. Gerakan fluks di sekitar cincin, selain ditentukan oleh besaran ggm, juga merupakan fungsi dari tahanan inti besi yang membawa fluks tersebut. Tahanan inti besi disebut reluktansi R dari rangkaian magnet.



F

weber

R

Seperti juga tahanan dalam rangkaian listrik, reluktansi berbanding lurus dengan panjang (L), berbanding terbalik dengan penampang luas bidang (A), dan bergantung pada bahan magnet tersebut, dimana besar L dalam meter dan A dalam meter persegi. l Ampere-turn/Weber R   A

Gambar 34. Analogi rangkaian magnet dan listrik

Analogi rangkaian magnet dengan rangkaian listrik adalah sebagai berikut: l F l V  R   R(tahanan)    A I  A


Phenomena

32

Table 3. Analogi rangkaian magnet dan listrik

No

Magnet

Simbol

Listrik

Simbol

1

Gaya gerak Magnet

F

Gaya Gerak Listrik

E

2

Fluks Magnet

ɸ

Arus Listrik

I

Tahanan

listrik

3

Tahanan Magnet (reluktansi)

R

4

Kerapatan fluks magnet

B

Kerapatan arus listrik

I/A

5

Kuat medan magnet

H

Daya hantar listrik

Ɛ

µ

Konduktivitas

σ

Daya

6

hantar

magnet

(permeabilitas)

(resistansi)

R

1.7.4 Kurva Magnetisasi Perhitungan rangkaian magnet dapat pula dilakukan melalui pendekatan grafik dengan penjelasan sebagai berikut:



B 



A

F AR

F





A l

 A





F

  H weber/m 2

l

Dimana

H



F l



Ni l

ampere-turn/m

Besaran H disebut kuat medan magnet dan merupakan nilai ggm per unit panjang. Untuk rangkaian magnet yang seragam seperti gambar 35a, maka ggm per unit panjang inti besi adalah konstan. Oleh karena itu, nilai kuat medan H sepanjang jalur inti besi juga adalah konstan. Persamaan diatas memperlihatkan hubungan sifat magnetic suatu bahan dengan syarat hantar µ, yang dapat ditunjukkan melalui kurva kerapatan fluks B sebagai fungsi dari kuat medan H, yang biasanya disebut kurva B – H atau kurva magnetasi. kurva B – H hanya dipengaruhi oleh jenis bahan yang dipakai dan tidak tergant ung pada dimensi bahan tersebut. Apabila diketahui harga ampere – turn Ni dan Simple Inspiring Performing

Phenomena

33

harga panjang rata-rata jalur fluks, maka nilai kuat medan magnet Ni/L jatuh pada sumbu horizontal, dan secara grafik dengan mudah dapat ditentukan kerapatan fluks B yang terletak pada sumbu ordinat tegaknya.

Gambar 35. Kurva Magnetisasi

Karena H = Ni / L dan B= ɸ / A maka dengan mudah terlihat bahwa kuat medan H sebanding dengan gaya gerak magnet ( Ni) dan kerapatan fluks (B) sebanding dengan garis fluks magnet ( ɸ). Oleh karena hubungan kurva B – H pada gambar 35a, akan mempunyai bentuk yang sama dengan hubungan kurva ɸ - ggm pada gambar 35 b. kemiringan B terhadap H pada gambar 35 a menunjukkan nilai daya hantar magnet inti besi (core). Dari kurva B – H dapat diketahui bahwa permeabilitas besar untuk keadaan tidak jenuh dan kemudian secara berangsur-angsur menjadi sangat kecil pada keadaan inti besi menjadi sangat jenuh. Keuntungan menggunakan bahan feromagnet sebagai inti besi pada mesin-mesin listrik adalah dimungkinkannya memperoleh fluks magnet yang berlipat ganda untuk ggm tertentu yang diberikan. Walaupun demikian, bila dihendaki nilai fluks yang sebanding dengan harga ggm-nya, maka inti besi harus dioperasikan pada daerah tidak jenuh. Bentuk nonlinear kurva magnetasi ini berperan penting dalam pembahasan sifat mesenmesin arus listrik dan transformator.

1.8

Prinsip Elektromekanik

1.8.1 Konversi Energi Elektromekanik Konversi energi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui media medan magnet. Energi akan diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya, sementara ak an tersimpan dalam media medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi bentuk energi lainnya. Dengan demikian medan magnet selain berfungsi sebagai tempat


Phenomena

34

menyimpan energi juga sekaligus sebagai media untuk mengkopel proses perubahan energy.

Energi Listrik

Medan Magnet

Energi Mekanis

Motor Generator

Gambar 36. Proses konversi energi elektromekanik

Dengan demikian hukum kekekalan energi, proses konversi energi elektromekanik sebagai aksi motor dapat dinyatakan sebagai berikut: Energi listriktersimpan Input = pada Energi Energi yang medanmekanik magnet output + energi perubahan menjadi panas +

Atau setelah rugi energi total dikelompokkan: Energi listrik minus rugi energi ditahanan =

energi mekanik minus rugi gesekan +

energi tersimpan pada medan magnet plus rugi energi total yang menyertainya

Atau dalam bentuk diferensial dapat dirumuskan:

dW E

 dW M  dW F

Diatas telah dijelaskan bahwa energi yang diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain akan tersimpan sementara pada media medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi bentuk lainnya dan secara matematika dinyatakan oleh persamaan diferensial. dW  dW M  dW F (untuk aksi motor) E

Hal tersebut diatas hanya berlaku ketika proses konversi energi sedang berlangsung, artinya berlaku untuk keadaan dinamis yang transien, untuk keadaan steady state, dimana fluks merupakan harga konstan, maka:

dW F dW E

 0  dW M

1.8.2 Gaya Gerak Listrik Apabila sebuah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh d s memotong suatu medan magnet dengan kerapanan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor dengan panjang efektif l ialah:

d   B l d s


Phenomena

35

Dari hokum Faraday diketahui gaya gerak listrik ( ggl ) adalah

e

d dt

B l d s dt



Karena d s /d t adalah kecepatan (v ), maka

e  B l v

V

N

B

S

Gambar 37. Gaya Gerak Listrik

Arah gaya gerak listrik ini ditentukan oleh aturan tangan kanan, dengan jempol, telunjuk dan jari tengah ang saling tegak lurus menunjukkan masing-masing arah v , B dan e. Bila konduktor tersebut dihubungkan dengan beban, seperti suatu tahanan, maka pada konduktor tersebut mengalir arus yang menjauhi kita. Persamaan

e = Blv dapat diartikan bahwa apabila dalam medium medan magnet

diberikan energi mekanik (untuk menghasilkan kecepatan v ), maka akan dibangkitkan energi listrik (e); dan ini merupakan prinsip dasar sebuah generator.

1.8.3 Torsi Arus listrik I yang dialirkan di dalam suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B akan menghasilkan suatu gaya F sebesar:

F  B. I .l Arah gaya F ini ditentukan oleh aturan tangan kiri, dengan ibu jari, telunjuk dan jari tengah yang saling tegak lurus menunjukkan masing-masing arah F, B, dan l. persamaan

F  B. I .l merupakan prinsip sebuah motor, dimana terjadi proses perubahan energi listrik menjadi energi mekanik. Bila jari-jari rotor adalah r, torsi yang dibangkitkan adalah:

T


 F  r  B  I  l  r

Phenomena

36

N

B

S

F

Gambar 38. Arah gaya torsi

Perlu di ingat bahwa pada saat gaya F dibangkitkan, penghantar bergerak di dalam medan magnet dan seperti diketahui akan menimbulkan tegangan listrik yang melawan tegangan penyebabnya. Agar konversi energi listrik menjadi energi mekanik (motor) dapat berlangsung, tegangan sumber harus lebih besar daripada tegangan listrik lawan. Gerak penghantar di dalam medan magnet akan membangkitkan tegangan e  Blv dan bila dihubungkan dengan beban, akan mengalir arus listrik (I) atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik (generator). Arus listrik (I) yang akan mengalir pada penghantar tadi menyebabkan medan magnet pula yang akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B). Interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gaya mekanik yang diberikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, gaya mekanik yang diberikan haruslah lebih besar daripada gaya reaksi tadi.

1.8.4 Interaksi Medan Magnet Kerja suatu mesin dinamik dapat juga dilihat dari segi adanya interaksi antara medan magnet stator dan rotor, yaitu:

F  B. I .l Seperti diketahui penghantar arus listrik (I) pada persamaan di atas akan menimbulkan fluks juga di sekitar penghantar yang dilalui. Bila kerapatan fluks akibat arus listrik (I) dinyatakan dengan Br, sedangkan kerapatan fluks akibat kumparan medan adalah Bs, maka dapat dituliskan.

T

 KBr B s sin 

Dimana



= sudut antara kedua sumbu medan magnet Br dan Bs


Phenomena

37

K = Konstantan = �. � Celah

Udara

S

U

S

Br

Bs

U

Gambar 39. Interaksi Medan Magnet Stator dan Rotor

Sudut

 dikenal

sebagai torsi atau sudut daya dengan nilai maksimumnya

=

90°.

Dengan menganggap Br dan Bs sebagai fungsi arus rotor dan arus stator persamaan torsi menjadi:

T

 KI r I s sin 

Pembahasan diatas menjelaskan bahwa terjadinya torsi dapat dianggap sebagai adanya interaksi antara dua medan magnet atau antara dua arus.

1.9

Isolasi Listrik

1.9.1 Pengertian Isolasi Listrik Insulation material adalah bahan yang tidak menghantarkan arus listrik. Jika sebuah material isolasi mempunyai daya hantaran yang sangat rendah dan arus yang dialirkannya masih dapat diabaikan maka material tsb dapat diklasifikasikan sebagai “bahan isolator ”, kebanyakan orang akan mengatakan bahwa gelas adalah merupakan bahan insulation yang baik, demikian juga dengan mica, porcelin atau keramik.

1.9.2 Sifat-Sifat Bahan Isolator Bahan isolator digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan. Untuk itu pemakaian bahan isolator perlu mempertimbangkan sifat kelistrikanya. Di samping itu juga perlu mempertimbangkan sifat termal, sifat mekanis, dan sifat kimia.


Phenomena

38

Sifat kelistrikan mencakup resistivitas, permitivitas, dan kerugian dielektrik. Isolator membutuhkan bahan yang mempunyai resistivitas yang besar agar arus yang bocor sekecil mungkin (dapat diabaikan). Yang perlu diperhatikan di sini adalah bahwa bahan isolasi yang higroskopis hendaknya dipertimbangkan penggunaannya pada tempattempat yang lembab karena resistivitasnya akan turun. Resistivitas juga akan turun jika tegangan yang diberikan naik. Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai dielektrik ditentukan oleh permitivitasnya, di samping jarak dan luas permukaannya. Besarnya permitivitas udara adalah 1,00059, sedangakan untuk zat padat dan zat cair selalu lebih besar dari itu. Apabila bahan isolasi diberi tegangan bolak-balik maka akan terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut. Besarnya kerugian energi yang diserap bahan isolasi tersebut berbanding lurus dengan tegangan, frekuensi, kapasitansi, dan sudut kerugian dielektrik. Sudut tersebut terletak antara arus kapasitif dan arus total (Ic + Ir).

Suhu juga berpengaruh terhadap kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas, ketahanan terhadap pengaruh kimia dan sebagainya. Bahan isolasi dapat rusak diakibatkan oleh panas pada kurun waktu tertentu. Waktu tersebut disebut umur panas bahan isolasi. Sedangakan kemampuan bahan menahan suhu tertentu tanpa terjadi kerusakan disebut ketahanan panas. Menurut IEC (International Electrotechnical Commission) didasarkan atas batas suhu kerja bahan, bahan isolasi yang digunakan pada suhu di bawah nol (missal pada pesawat terbang, pegunungan) perlu juga diperhitungkan karena pada suhu di bawah nol bahan isolasi akan menjadi keras dan regas. Pada mesin-mesin listrik, kenaikan suhu pada penghantar dipengaruhi oleh resistansi panas bahan isolasi. Bahan isolasi tersebut hendaknya mampu meneruskan panas yang didesipasikan oleh penghantar atau rangkaian magnetik ke udara sekelilingnya. Kemampuan larut bahan isolasi, resistansi kimia, higroskopis, permeabilitas uap, pengaruh tropis, dan resistansi radio aktif perlu dipertimbangkan pada penggunaan tertentu. Kemampuan larut diperlukan dalam menentukan macam bahan pelarut untuk suatu bahan dan dalam menguji kemampuan bahan isolasi terhadap cairan tertentu selama diimpregnasi atau dalam pemakaian. Kemampuan larut bahan padat dapat dihitung berdasarkan banyaknya bagian permukaan bahan yang dapat larut setiap satuan waktu jika diberi bahan pelarut. Umumnya kemampuan larut bahan akan bertambah jika suhu dinaikkan.


Phenomena

39

Ketahanan terhadap korosi akibat gas, air, asam, basa, dan garam bahan isolasi juga nervariasi antara satu pemakaian bahan isolasi di daerah yang konsentrasi kimianya aktif, instalasi tegangan tinggi, dan suhu di atas normal. Uap air dapat memperkecil daya isolasi bahan. Karena bahan isolasi juga mempunyai sifat higroskopis maka selama penyimpanan atau pemakaian diusahakan agar tidak terjadi penyerapan uap air oleh bahan isolasi, dengan memberikan bahan penyerap uap air, yaitu senyawa P 2O5 atau CaC12. Bahan yang molekulnya berisi kelompok hidroksil (OH) higrokopisitasnya relative besar dibanding bahan parafin dan polietilin yang tidak dapat menyerap uap air. Bahan isolasi hendaknya juga mempunyai permeabilitas uap (kemampuan untuk dilewati uap) yang besar, khususnya bagi bahan yang digunakan untuk isolasi kabel dan rumah kapasitor. Di daerah tropis basah dimungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga. Suhu yang tinggi disertai kelembaban dalam waktu lama dapat menyebabkan turunnya kemampuan isolasi. Oleh karena bahan isolasi hendaknya dipisi bahan anti jamur (paranitro phenol, dan pentha chloro phenol). Pemakaian bahan isolasi sering dipengaruhi bermacam-macam energi radiasi yang dapat berpengaruh dan mengubah sifat bahan isolasi. Radiasi sinar matahari mempengaruhi umur bahan, khususnya jika bersinggungan dengan oksigen. Sinar ultra violet dapat merusak beberapa bahan organic. T yaitu kekuatan mekanik elastisitas. Sinar X sinar -sinar dari reactor nuklir, partikel-partikel radio isotop juga mempengaruhi kemampuan bahan isolasi. Sifat mekanis bahan yang meliputi kekuatan tarik, modulus elastisitas, dan derajat kekerasan bahan isolasi juga menjadi pertimbangan dalam memilih suatu jenis bahan isolasi.

1.9.3 Pembagian Kelas Bahan Penyekat Bahan penyekat listrik dapat dibagi atas beberapa kelas berdasarkan suhu kerja maksimum, yaitu sebagai berikut: a. Kelas Y, suhu kerja maksimum 90°C Yang termasuk dalam kelas ini adalah bahan berserat organis (seperti Katun, sutera alam, wol sintetis, rayon serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, polivinil, karet, dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan pernis atau bahan pencelup lainnya. Termasuk juga bahan termoplastik yang dapat lunak pada suhu rendah. b. Kelas A, suhu kerja maksimum 150°C


Phenomena

40

Yaitu bahan berserat dari kelas Y yang telah dicelup dalam pernis aspal atau kompon, minyak trafo, email yang dicampur dengan vernis dan poliamil atau yang terendam dalam cairan dielektrikum (seperti penyekat fiber pada transformator yang terendam minyak). Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang telah dicelup, termasuk kawat email (enamel) yang terlapis damar-oleo dan damar-polyamide. c. Kelas E, suhu kerja maksimum 120°C Yaitu bahan penyekat kawat enamel yang memakai bahan pengikat polyvinylformal, polyurethene dan damar epoxy dan bahan pengikat lain sejenis dengan bahan selulosa, pertinaks dan tekstolit, film triacetate, film dan serat polyethylene terephthalate. d. Kelas B, suhu kerja maksimum 130°C Yaitu Yaitu bahan non-organik (seperti : mika, gelas, fiber, asbes) yang dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau kompon, dan biasanya tahan panas (dengan dasar minyak pengering, bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya). e. Kelas F, suhu kerja maksimum 155°C Bahan bukan organik dicelup atau direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan panas tinggi. f.

Kelas H, suhu kerja maksimum 180°C

Semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat (kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni. g. Kelas C, suhu kerja diatas 180°C Bahan anorganik yang tidak dicelup dan tidak terikat dengan substansi organic, misalnya mika, mikanit yang tahan panas (menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas C yaitu politetra fluoroetilen (Teflon).


Phenomena

41

2.

Motor Listrik

2.1

Prinsip Kerja

Motor listrik adalah sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik .

Energy mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar

impeller pompa, fan atau blower, menggerakkan compressor dan lain sebagainnya. Adapun Prinsip kerjanya berdasarkan hukum gaya lorenz dan kaidah tangan kiri

Fleming , yang menyatakan bahwa apabila sebatang konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan didalam medan magnit maka konduktor tersebut akan mengalami gaya, seperti diperlihatkan gambar 40.

Gambar 40. Batang Penghantar yang dialir arus listrik

Arah dari gaya yang dialami oleh konduktor tersebut ditunjukan oleh kaidah tangan kiri Fleming, seperti pada gambar 41. Gaya tersebut dialami oleh setiap batang konduktor pada rotor, sehingga menghasilkan putaran dengan torsi yang cukup untuk memutarkan beban yang dikopel dengan motor. Kecepatan putaran dan besarnya torsi jualah yang menentukan sesuatu motor itu sesuai untuk pekerjaan.

Gambar 41. Demontrasi Tangan kiri Fleming

Medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat menyimpan energi sekaligus berfungsi sebagai medium untuk mengkopel proses perubahan energi.


Phenomena

42

Gambar 42. Simulasi Kerja Motor DC

2.1.1 Prinsip kerja motor DC Pada motor dc terdiri dari kumparan magnet pada stator dan kumparan jangkar pada rotor. Pada saat kumparan magnet di stator diberi suplai tegangan DC maka akan mengalir arus dc pada kumparan magnet tersebut sehingga menimbulkan medan magnet yang mengalir dari kutub utara ke kutub selatan seperti pada gambar 43.

Gambar 43. Medan magnet pada stator motor dc

Setelah medan magnet dihasilkan dari suplai arus dc pada kumparan medan di stator, maka selanjutnya adalah memberikan suplai arus dc ke kumparan jangkar di rotor seperti diperlihatkan pada gambar 44

Gambar 44. Arus Dc pada kumparan jangkar di rotor


Phenomena

43

Apabila kumparan jangkar yang dialiri arus dc dan di letakkan disekitar medan magnet maka pada kumparan jangkar akan timbul gaya (gambar 45) besarnya dapat rumus sebagai berikut :

Gambar 45. Gaya dan Torsi Pada motor DC

�= �. �. � F

= Gaya yang dialami oleh konduktor (Newton)

B

= Kerapatan fluks magnet (Wb / m²)

L

= Panjang konduktor (m)

I

= Kuat arus yang mengalir pada konduktor (A)

Dalam prakteknya, rotor terdiri dari sejumlah konduktor (Z) dan juga mempunyai beberapa cabang lilitan (a), sehingga persamaan menjadi :

� �= �. �. � . � Karena torsi T = F. r , dimana r adalah radius perputaran, maka :

� �= �. �. � .� . � Apabila rotor dari motor listrik berputar, maka pada saat itu prinsip generator berlaku sehingga pada rotor akan dibangkitkan gerak gaya listik (ggL) yang arahnya menentang ggl yang ada sehingga disebut gaya gerak listrik (ggl) lawan yang besarnya dinyatakan dengan persamaan.

� ��= �. ∅. � . . ��


Phenomena

44

GGL lawan ini membatasi arus rotor sehingga tidak menjadi sangat besar. Dari persamaan diatas nilai-nilai P, Z, a dan 60 pada motor merupakan nilai-nilai yang tetap / konstan (c), sehingga : . �. ∅ atau �= ��= �

��

.∅

2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi 3 Fasa Apabila sumber tegangan 3 fasa dihubungkan pada kumparan stator, seperti pada gambar 7 maka akan timbul medan putar dengan kecepatan n S = 120.f / p, kemudian medan putar tersebut memotong batang konduktor (rotor) akibatnya pada kumparan rotor timbul ggl induksi sebesar 4,44 N 2f 2. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, ggl (E) akan menghasilkan arus (I), adanya arus didalam medan magnet memikul torsi beban, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.

Gambar 46. Prinsip kerja motor induksi 3 fasa

Telah diterangkan diatas bahwa tegangan induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (n S) dengan kecepatan berputar rotor (nr ). Perbedaan kecepatan antara n r dan nS disebut Slip (S), dinyatakan dengan :

�=


Phenomena

� � �− � × 100 % � �

45

� �=

120.� 1 

atau �= 1

.�� 120

Dimana : f 1 = frekuensi jala – jala ( jaringan / sumber), dan p = jumlah kutub

2.2

Jenis – Jenis Motor Listrik

Motor listrik berdasarkan jenis sumber tegangannya dibagi dalam : a. Motor arus searah (DC)

 Motor Shunt  Motor Seri  Motor Compound b. Motor arus bolak-balik (AC)

 Motor Induksi Tiga Fasa 

Motor Rotor Sangkar (Squirrel – Cage Rotor)



Motor Rotor Lilit ( Wound Rotor)

 Motor Sinkron  Motor Induksi Satu Fasa 

Motor Split Satu fasa



Mator Kapasitor



Motor Shaded Pole

Adapun klasifikasi motor listrik dapat dikelompokkan sebagaimana struktur gambar 47 dibawah ini

Gambar 47. Klasifikasi Motor Listrik


Phenomena

46

2.2.1 Motor Arus Bolak – Balik (AC) A.

Motor Sinkron

Prinsip Kerja Motor Sinkron adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah energy listrik menjadi energi mekanik. Mesin sinkron mempunyai kumparan jangkar pada stator dan kumparan medan pada rotor. Kumparan jangkarnya berbentuk sama dengan mesin induksi, sedangkan kumparan medan mesin sinkron dapat berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder). Arus searah (DC) untuk menghasilkan fluks pada kumparan medan dialirkan ke rotor melalui cincin dan sikat. Jadi kontruksi motor sinkron ini adalah sama dengan generator sinkron, bedanya hanya bahwa generator sinkron rotornya diputar untuk menghasilkan tegangan, sedangkan motor sinkron statornya diberi tegangan agar rotornya berputar.

Gambar 48. Motor Sinkron

Keadaan ini dapat dijelaskan sebagai berikut: apabila kumparan jangkar (pada stator) dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa maka akan mengalir arus tiga fasa pada kumparan. Arus tiga fasa pada kumparan jangkar ini menghasilkan medan putar homogen (BS). Berbeda dengan motor induksi, motor sinkron mendapat eksitasi dari sumber DC eksternal yang dihubungkan ke rangkaian rotor melalui slip ring dan sikat. Arus DC pada rotor ini menghasilkan medan magnet rotor (B R) yang tetap. Kutub medan rotor mendapat tarikan dari kutub medan putar stator hingga turut berputar dengan kecepatan yang sama (sinkron). Torsi yang dihasilkan motor sinkron merupakan fungsi sudut torsi ( δ). Semakin besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi yang dihasilkan akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.

�= �× ��× �� × sin 


Phenomena

47

Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu kumparan medan ( δ = 0). Setiap penambahan beban membuat medan motor “tertinggal” dari medan stator, berbentuk sudut kopel ( δ); untuk kemudian berputar dengan kecepatan yang sama lagi. Beban maksimum tercapai ketika δ = 90o. Penambahan beban lebih lanjut mengakibatkan hilangnya kekuatan torsi dan motor disebut kehilangan sinkronisasi. Oleh karena pada motor sinkron terdapat dua sumber pembangkit fluks yaitu arus bolak- balik (AC) pada stator dan arus searah (DC) pada rotor, maka ketika arus medan pada rotor cukup untuk membangkitkan fluks (ggm) yang diperlukan motor, maka stator tidak perlu memberikan arus magnetisasi atau daya reaktif dan motor bekerja pada faktor daya = 1,0. Ketika arus medan pada rotor kurang (penguat bekurang), stator akan menarik arus magn etisasi dari jala-jala, sehingga motor bekerja pada faktor daya terbelakang (lagging). Sebaliknya bila arus pada medan rotor belebih (penguat berlebih), kelebihan fluks (ggm) ini harus diimbangi, dan stator akan menarik arus yang bersifat kapasitif dari jala-jala, dan karenanya motor bekerja pada faktor daya mendahului (leading). Dengan demikian, faktor daya motor sinkron dapat diatur dengan mengubah-ubah harga arus medan (I F)

Pemodelan Motor Sinkron Mesin sinkron dapat dimodelkan dengan menggunakan rangkaian ekivalennya. Dari rangkaian ekivalen ini mesin sinkron dapat dianalisa dengan berbagai kondisi dengan cara yang mudah dan cepat tanpa harus mengoperasikan langsung mesin ini pada sistem tenaga. Dari rangkaian ekivalen ini dapat dianallisa kondisi dinamis atas statis suatu mesin. Motor sinkron pada dasarnya adalah sama dengan generator sinkron karena mempunyai bentuk konstuksi yang sama, kecuali arah aliran daya pada motor sinkron merupakan kebalikan dari generator sinkron. Oleh karena arah aliran daya pada motor sinkron dibalik, maka arah aliran arus pada stator motor sinkron juga dapat dianggap dibalik jika dibandingkan dengan generator sinkron.

Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Satu Phasa Untuk menganalisa kondisi motor sinkron dengan mudah, harus diketahui terlebih dahulu bentuk model rangkaian ekivalennya. Rangkaian ekuivalen motor sinkron ini mirip dengan rangkaian ekuivalen generator sinkron, kecuali arah arus jangkar (Ia) yang dibalik. Oleh karena itu bentuk rangkaian ekuivalen motor sinkron 1-fasa mirip dengan rangkaian


Phenomena

48

ekivalen alternator 1-fasa, tetapi dengan arah arus jangkar yang terbalik. Bentuk rangkaian ekivalen motor sinkron 1-fasa ini diperlihatkan pada gambar 2.2.

Gambar 49. Rangkaian Ekivalen motor sinkron satu phasa

Dari gambar 49 dapat dibuatkan persamaan-persamaan yang memenuhi pada rangkaian ekuivalen motor sinkron 1-fasa sebagai berikut.

 = ��+ ��. ��+ �. ��. �

Atau ��=  − ��. ��− �. ��. � Dan, ��=  ×  × cos  ��= ( ��)2 × �

��= ��− �� � ��= ��− ��

Sehingga nilai efisiensi dapat dihitung dengan rumusan sebagai berikut

�=

� ��

��

× 100%

Dengan: Ea

: GGL induksi lawan pada kumparan motor sinkron (V)

V

: Tegangan terminal motor sinkron (V )


Phenomena

49

: Arus jangkar motor sinkron (Ω)

Ia Cos 

: Faktor daya

Ra

: Tahanan jangkar motor sinkron (Ω)

Xs

: Reaktansi sinkron motor sinkron (Ω)

Pout

: Daya keluaran motor sinkron (W)

Pin

: Daya masukan motor sinkron (W)

Pcu

: Rugi-rugi tembaga pada motor sinkron (W)

Pind

: Daya mekanik yang dibangkitkan pada rotor motor sinkron (W)



: Efisiensi motor sinkron

Rangakaian Ekivalen Motor Sinkron Tiga Phasa Konstruksi motor sinkron 3-fasa sama dengan konstruksi generator sinkron 3-fasa (alternator 3-fasa). Oleh karena itu, kumparan motor sinkron ini juga dapat dibuat dalam bentuk hubunga bintang (Y) dan delta seperti halnya pada alternator 3- fasa. Motor ini dapat dianalisa dengan menggunakan rankaian ekivalen yang sama dengan alternator, tetapi dengan arah arus yang berbeda. Dengan menggunakan gambar 49 pada bagian sub bab alternator 3-fasa, maka dapat dibuatkan rumus untuk motor sinkron 3-fasa sebagai berikut.



Hubungan Y (Star)

��(���−�) = � − ��(�) × ( � ��(�) ) �+ � Dengan � = �� ∠ � °  �(�   (��−�) = � − � ��(�) ) ) × (� )+ � ��(�

Dengan � = �� ∠ (�+ 240)°   (���−�) = � −

��(� )

��(�) ) × (� )+� ��(�

Dengan


Phenomena

50

� = �� ∠ (�+ 120)°

Dengan

�� =





�

√ 3

�= ��= � � = �

� �

Hubungan Delta  ��( �−�) = ��− ��(�� (��) ) � ) ×(� )+ � ��(�

Dengan ��=

�� ∠

� °

 ��( ��−�) = ��− ��(��) × ( � ��(��) ) � ) + � ��(� ��= �� ∠ (�+ 240)°  ��( ��−� ��(��) ) � ) = � �− ��(� � ) ×(� � )+ � ��(� � + 120)° �= �� ∠ (� ��

=

��

√ 3

Untuk menghitung efisiensi motor sinkron 3-fasa dapat digunakan persamaan diatas.

B.

Motor Induksi

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari baik di industri maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum dipakai adalah motor induksi 3-fase dan motor induksi 1-fase. Motor induksi 3-fase dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industry dengan kapasitas yang besar. Motor induksi 1-fase dioperasikan pada sistem tenaga 1- fase dan banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya karena motor induksi 1-fase mempunyai daya keluaran yang rendah. Bentuk gambaran motor induksi 3-fasa diperlihatkan


Phenomena

51

padagambar 50, dan contoh penerapan motor induksi ini di industry diperlihatkan pada gambar 51.

Gambar 50. Motor Induksi

Gambar 51. motor induksi pada industry

Data-data motor induksi mengenai daya, tegangan dan data lain yang berhubungan dengan kerja motor induksi dibuatkan pada plat nama (name plate) motor induksi. Contoh data yang ditampilkan pada plat nama motor induksi ini diperlihatkan pada gambar 52

Gambar 52. name plate


Phenomena

52

Prinsip Kerja Motor Induksi Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Bila kumparan stator motor induksi 3-fasa yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan 3-fasa, maka kumparan stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl) atau tegangan induksi. Karena penghantar (kumparan) rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor. Penghantar (kumparan) rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator. Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun akan turut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatif antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban, akan memperbesar kopel motor yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi. Bila beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun. Pada rangka stator terdapat kumparan stator yang ditempatkan pada slot- slotnya yang dililitkan pada sejumlah kutup tertentu. Jumlah kutup ini menentukan kecepatan berputarnya medan stator yang terjadi yang diinduksikan ke rotornya. Makin besar jumlah kutup akan mengakibatkan makin kecilnya kecepatan putar medan stator dan sebaliknya. Kecepatan berputarnya medan putar ini disebut kecepatan sinkron. Besarnya kecepatan sinkron ini adalah sebagai berikut.

Ωsink = 2πf (listrik, rad/dt) = 2πf / P (mekanik, rad/dt), atau: Ns = 60. f / P (putaran/menit, rpm) Dimana, f = frekuensi sumber AC (Hz) P = jumlah pasang kutup Ns dan ωsink = kecepatan putaran sinkron medan magnet stator


Phenomena

53

2.2.2 Motor Arus Searah (DC) A.

Motor DC Dengan Penguat Terpisah

Motor DC dengan jenis ini, penguat magnetnya mendapat arus dan sumber tersendiri dan terpisah dengan sumber arus ke rotor. Sehingga arus yang diberikan untuk jangkar dengan arus yang diberikan untuk penguat magnet tidak terikat satu sama lain secara kelistrikan. Karakteristik motor dengan penguat terpisah ditunjukan pada g ambar 53

Gambar 53. Motor DC P enguat Terpisah

B.

Motor DC Dengan Penguat Sendiri

Motor jenis ini penguat magnitnya mendapat arus dari sumber yang sama dengan arus yang diberikan pada jangkar. Jadi medan magnitnya tersambung paralel atau seri dengan jangkar. a. Motor Shunt. Belitan medan motor shunt tersambung paralel dengan jangkar, sehingga apabila tegangan sumber konstan, maka kuat medan magnit motor ini konstan. Rangkaian ditunjukan pada gambar 54.


Phenomena

54

Gambar 54. DC Shunt Motor: Schematic and Wiring Diagram

Motor Shunt pada umumnya berdaya kecil. Motor Shunt dengan daya besar penggunaannya tidak banyak, tetapi tetap ada, karena motor shunt mempunyai putaran hampir konstan. Pada keadaan operasi normal pada umumnya kecepatan motor diatur dengan shunt regulator, dan cara mengatur putaran atau membalik putaran serta karakteristik ditunjukkan pada gambar. Sesuai dengan karakteristiknya, motor shunt baik dipakai untuk pekerjaan yang memerlukan kecepatan putaran hampir konstan seperti conveyor, lift dan sebagainya.

b. Motor Seri. Seri. Pada motor ini, jangkar dan kumparan medan magnitnya dihubungkan dalam rangkaian seri dengan sumber tegangan. tegangan . Rangkaian ditunjukan pada gambar 55


Phenomena

55

Gambar 55. DC Series Motor: Schematic and Wiring Diagram

Motor seri mempunyai perubahan kecepatan yang cukup besar sejalan dengan pertambahan bebannya. Pada beban besar, arus jangkar dan arus medan magnit berkurang, sehingga kecepatan putaran tinggi. Pada motor seri ukuran besar , jangan menjalankan motor seri tanpa dibebani, karena putarannya akan tinggi sekali dan dapat menyebabkan kerusakan pada motor. Jadi motor seri harus selalu tersambung pada beban tetap tertentu untuk menghindari dari hilang sama sekalinya beban mekanik motor. Karena Is = Ia atau Ф = I , maka torsi pada motor seri adalah : T αФ . I atau T α I2 Dengan sifat-sifatnya seperti ditunjukan pada gambar diatas, motor seri sebaiknya dipakai untuk kereta listrik, Crane, Elevator, motor stater mobil dan sebagainya.

c. Motor Compound. Motor Compound merupakan gabungan sifat dari motor shunt dan motor seri, ada dua jenis motor Compound Compound yaitu yaitu

 Motor Compound Komulatif (Compound Pendek)  Motor Compound Diferensial (Compound Panjang). Jenis yang banyak dipakai adalah motor Compound kumulatif (kompound pendek). Adapun pada pada gambar gambar 56 memperlihat memperlihat motor coumpund coumpund panjang panjang dan dan pendek pendek


Phenomena

56

Gambar 56. DC Compoud Motor :Schematic and Wiring Diagram

2.3

Konstruksi Motor Listrik

2.3.1 Konstruksi Motor DC Motor DC banyak digunakan untuk keperluan darurat (Emergency), sebagai pengganti motor listrik AC apabila tegangan AC hilang (gangguan). Setiap mesin DC terdiri dari bagian Stator Stator yang terdiri dari set magnet dengan cincin baja dan lilitan yang menonjol dengan inti utama, sepatu kutub yang terbuat dari lempeng elektro serta lilitan kawat penguat eksitasi sering disebut Field Winding dan kutub bantu seperti terlihat pada Gambar 57 dibawah ini.

Gambar 57. Stator dan Rotor Motor DC

Bagian rotor sering disebut Jangkar/Armature Winding terbuat dari poros baja beralur dan lilitan kawat pada alur tersebut. Gambar 58 menunjukkan potongan sebuah motor DC dengan komutator diujung motor. Sikat arang ( Carbon Brush ) adalah bagian dari stator .Sikat arang ini ditahan oleh pemegang sikat ( Carbon Holder ).


Phenomena

57

Sebuah komutator terdiri dari segmen segmen tembaga ,dimana setiap ujungnya disambungkan dengan ujung lilitan rotor. Komutator adalah bagian motor listrik yang perlu sering dirawat dan dibersihkan. Bagian ini bersinggungan dengan sikat arang untuk memasukkan arus ke jala jala rotor. Gambar 58 menunjukkan bagian dari sebuah komutator dan bagian lain yang saling berkaitan

Gambar 58. Sikat arang (kiri), Pemegang /Holder (tengah), dan Sikat arang yang terpasang (kanan)

Gambar 59 memperlihatkan beberapa konstruksi motor arus searah untuk memudahkan pemahaman mengenal motor arus searah ( DC ).

Gambar 59. Konstruksi Motor Arus Searah ( DC )


Phenomena

58

2.3.2 Konstruksi Motor AC (Motor Induksi) Motor Induksi merupakan motor Asinkron. Konstruksinya terdiri dari 2 bagian utama yaitu bagian diam

disebut stator dan bagian berputar disebut rotor, seperti diperlihatkan

gambar 60

Gambar 60. Konstruksi Motor Induksi



Stator

Stator dari motor induksi, mempunyai prinsip sama dengan motor sinkron atau generator. Apabila belitan – belitan stator disuplai dengan arus 3 (tiga) fasa, maka menghasilkan medan magnet atau fluksi magnet yang mana adalah pada harga tetap tetap asal saja berputar pada kecepatan sinkron ( Ns ). Gambar stator seperti terlihat pada gambar 61 dibawah ini.

Gambar 61. Konstruksi Stator Motor Induksi.


Phenomena

59

Dalam hal hubungan kecepatan Ns adalah : 120 × � �= 

Ns

=

Kecepatan sinkron dalam cycle (Rpm)

f

=

Frekuensi

P

=

Jumlah Kutub

Stator merupakan bagian yang diamberfungsi sebagai :

 Dudukan kumparan jangkar untuk motor-motor AC dan dudukan motor-motor DC  Dudukan kedua kutub tutup (end plate) motor  Dudukan terminal yang menghubungkan jaringan kumparan stator ke sumber tegangan.

 Dudukan sirip-sirip pendingin motor yang berfungsi pelepas energi panas yang timbul pada motor. Pada setiap motor mempunyai 2 (dua) buah tutup (end plate) seperti diperlihatkan gambar 62, masing-masing pada kedua sisinya yang berfungsi sebagai :

 Dudukan bantalan poros motor  Titik posisi / poros dengan rumah stator  Pelindung bagian dalam motor terhadap cuaca Akurasi dudukan tutup motor terhadap bantalan dan rumah stator sangat menentukan keandalan gerakan poros suatu motor.

Gambar 62. Tutup Motor Induksi


Phenomena

60



Rotor

Rotor pada motor yang terbuat dari laminasi baja silikon yang mempunyai alur-alur sebagai penempatan kumparan rotor berada tepat di dalam stator yang ditempatkan pada poros. Berdasarkan jenis motor yang ada, dikenal beberapa jenis rotor yaitu :

 Rotor sangkar (Squirrel cage), bentuknya sederhana untuk motor induksi  Rotor lilit untuk motor induksi  Rotor motor DC yang dilengkapi dengan lamel-lamel sebagai terminal kumparan jangkar.



R otor kurung an – bajing ( s quirrel – cag e ) motor – motor yang menggunakan rotor tipe ini dikenal sebagai motor induksi kurungan tupai, seperti pada gambar 63

Gambar 63. Konstruksi rotor sangkar (squirrel cage)


Phenomena

61



Terputar – fase atau Rotor – terputar motor – motor yang menggunakan tipe rotor ini dikenal sebagai motor – motor Terputar – fase ( Phase – wound) atau motor – motor terputar (Wound) atau sebagi motor – motor Slip – ring, seperti diperlihatkan pada gambar 64

Gambar 64. Konstruksi Rotor Belitan (Wound Rotor)

Sikat pada motor induksi rotor belitan seperti terlihat pada gambar 65 berfungsi sebagai jaringan antara kumparan rotor dengan tahanan pengasut untuk motor induksi rotor lilit.

Gambar 65. Sikat atau Borstel

Pada rotor motor induksi dilengkapi dengan bantalan atau bearing yang berfungsi sebagai :

 Mempercepat gerak putar poros  Mengurangi gesekan putaran, maka setiap bantalan harus selalu dilengkapi dengan pelumas

 Penstabil posisi poros terhadap gaya horizontal dan gaya  Vertikal poros motor.


Phenomena

62

Bantalan atau bearing motor terdiri dari beberapa tipe diantaranya :

 Bantalan Peluru (ball bearing) seperti gambar 66

Gambar 66. Ball Bearing

 Bantalan roller (roller bearing), seperti gambar 67

Gambar 67. Roller bearing

 Bantalan Bola Aksial (Thrust Ball Bearing), seperti gambar 68

Gambar 68. Thrust Ball Bearing


Phenomena

63

3.

Transformator

Transformer adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.

Gambar 69. Transformasi energy

Adapun sejarah dari transfarmotor sebagai berikut :

 Tahun 1831, Michael Faraday mendemonstrasikan sebuah koil dapat menghasilkan tegangan dari koil lain.

 Tahun 1832, Joseph Henry menemukan bahwa perubahan flux yang cepat dapat menghasilkan tegangan koil yang cukup tinggi.



Tahun 1836, Nicholas Callan memodifikasi penemuan Henry dengan dua koil.



Tahun 1850 – 1884, era penemuan generator AC dan penggunaan listrik AC.

 Tahun 1885, Georges Westinghouse & William Stanley mengembangkan transformer berdasarkan generator AC.

 Tahun 1889, Mikhail Dolivo-Dobrovolski mengembangkan transformer 3 fasa pertama. Berikut ini digambarkan simbol transformator :

Gambar 70. Simbol trafo 1 fasa


Phenomena

64

Gambar 71. Simbol transformator 3 fasa

3.1

Prinsip Kerja Transformer

Prinsip kerja suatu transformer adalah induksi bersama (mutual induction) antara dua rangkaian yang dihubungkan oleh fluks magnet. Dalam bentuk yang sederhana, transformer terdiri dari dua buah kumparan yang secara listrik terpisah tetapi secara magnet dihubungkan oleh suatu alur induksi. Kedua kumparan tersebut mempunyai mutual induction yang tinggi. Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik timbul di dalam inti besi yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl (gaya gerak listrik) induksi (sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday.

Gambar 72. Rangkaian transformator

Berdasarkan hukum Faraday yang menyatakan magnitude dari electromotive force (emf) proporsional terhadap perubahan fluks terhubung dan hukum Lenz yang menyatakan arah dari emf berlawanan dengan arah fluks sebagai reaksi perlawanan dari perubahan fluks tersebut didapatkan persaman:

�= − (

� ) � �

Dimana : e

= emf sesaat



= Fluks terhubung

Dan pada transformer ideal yang dieksitasi dengan sumber sinusoidal berlaku persamaan:


Phenomena

65

 4, 44   m  N  f

E Dimana : E

= Tegangan (rms)

N

= Jumlah lilitan

f

= frekuensi

m

= Fluks puncak

Dan persamaan : E 1

E 2



N 1 N 2

Dikarenakan pada transformer ideal seluruh mutual flux yang dihasilkan salah satu kumparan akan diterima seutuhnya oleh kumparan yang lainnya tanpa adanya leakage flux maupun loss lain misalnya berubah menjadi panas. Atas dasar inilah didapatkan pula persamaan:

P 1  P 1 V 1  I 1

 V 2  I N 1  I 1  N 2  I 2

2

Gambar 73. Grafik, arus, tegangan dan fluks y ang terjadi

3.2

Rangkaian Ekuivalen Transformer

Untuk mempermudah analisis dalam pengujian, rangkaian primer dan sekunder dibuat menjadi sebuah rangkaian yang disebut rangkaian equivalent. Pada rangkaian ini rugi tembaga pada sisi sekunder diubah menjadi nilai ekuivalennya dan dilihat dari arah primer.


Phenomena

66

Gambar 74. Rangkaian ekuivalen transformer

 I 2  R

Loss 2

2

2 2

I Loss  I   2   R  2 1   I1  Loss  I 2  a 2  R 2

2

1

2

2

Dimana a adalah rasio perbandingan lilitan kumparan sekunder terhadap kumparan primer sehingga resistansi sekunder didapatkan:

R2 '  a  R2 2

X 2 '  a  X 2 2

Dari persamaan sebelumnya dapat digambarkan rangkaian ekuivalen transformer menjadi:

Gambar 75. Rangkaian ekuivalen yang telah disederhanakan

3.3

Transformer Praktis

Pada dasarnya rangkaian ekuivalen transformer praktis samadengan transformer ideal, hanya saja ditambahkan rugi-rugi inti yaitu rugi hysterisis dan rugi arus pusar (eddy current). Rugi-rugi ini digambarkan sebagai induktansi dan resistansi yang terhubung


Phenomena

67

secara paralel dengan kumparan primer, pada gambar dilambangkan sebagai Xm untuk induktansi dan Rm untuk resistansi.

Gambar 76. Rangkaian ekuivalen transformer praktis

Selain memperhitungkan rugi-rugi inti, transformer praktis juga memasukkan unsur fluks bocor (leakage flux ). Untuk menghitung tegangan induksi akibat fluks bocor ini dapat dilakukan dengan memodifikasi Φm menjadi Φ1 leakage.

E 1

3.4

 4, 44  1  N  f

Rugi-Rugi Pada Transformer

3.4.1. Rugi Arus Pusar (eddy current) Arus pusar adalah arus yang mengalir pada material inti karena tegangan yang diinduksi oleh fluks. Arah pergerakan arus pusar adalah 90 o terhadap arah fluks seperti terlihat pada gambar berikut.

Gambar 77. Arus pusar y ang berputar pada material inti


Phenomena

68

Dengan adanya resistansi dari material inti maka arus pusar dapat menimbulkan panas sehingga mempengaruhi sifat fisik material inti tersebut bahkan hingga membuat transformer terbakar. Untuk mengurangi efek arus pusar maka material inti harus dibuat tipis dan dilaminasi sehingga dapat disusun hingga sesuai tebal yang diperlukan. Rugi arus pusar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

pe

2  k e  f 2  t 2  Bmax

Dimana: pe

= Rugi arus pusar [w/kg]

k e

= Konstanta material inti

f

= frekuensi [Hz]

t

= ketebalan material [m]

Bmax

= Nilai puncak medan magnet [T]

3.4.2. Rugi Hysterisis Rugi hysterisis terjadi karena respon yang lambat dari material inti. Hal ini terjadi karena masih adanya medan magnetik residu yang bekerja pada material, jadi saat arus eksitasi bernilai 0, fluks tidak serta merta berubah menjadi 0 namun perlahan-lahan menuju 0. Sebelum fluks mencapai nilai 0 arus sudah mulai mengalir kembali atau dengan kata lain arus sudah bernilai tidak sama dengan 0 sehingga akan membangkitkan fluks kembali. Grafik hysterisis dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 78. Grafik hysterisis Iex terhadap Φ

Rugi hysterisis ini memperbesar arus eksitasi karena medan magnetik residu mempunyai arah yang berlawanan dengan medan magnet yang dihasilkan oleh arus eksitasi. Untuk Simple Inspiring Performing

Phenomena

69

mengurangi rugi ini, material inti dibuat dari besi lunak yang umum digunakan adalah besi silikon. Besarnya rugi hysterisis dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan berikut. n ph  k h  f 2  t 2  Bmax

Dimana: pe

= Rugi arus pusar [w/kg]

k e

= Konstanta material inti

f

= frekuensi [Hz]

t

= ketebalan material [m]

Bmax

= Nilai puncak medan magnet [T]

n

= Nilai eksponensial, tergantung material dan Bmax

Rugi hysteris maupun rugi arus pusar bernilai tetap, tidak bergantung pada besarnya beban.

3.4.3. Rugi Tembaga Rugi tembaga adalah rugi yang dihasilkan oleh konduktor/tembaga yang digunakan sebagai bahan pembuat kumparan. Rugi ini diakibatkan oleh adanya resistansi bahan. Nilai resistansi konduktor dapat dihitung dengan Persamaan berikut.

R  Dimana: R

 l A

= Tahanan (Ohm)

ρ

= Tahanan jenis (Ohm.m)

l

= Panjang penghantar (m)

A

= Luas penampang (m 2)

Sedangkan untuk menghitung kerugian tembaga itu sendiri dapat mempergunakan Persamaan:

Pcp  I p  R p 2

Pcs  I s  R s 2

Dimana: P cp P cs

= Rugi konduktor primer = Rugi konduktor sekunder


Phenomena

70

I p

= Arus pada kumparan primer

I s

= Arus pada kumparan sekunder

R p

= Tahanan kumparan primer

R s

= Tahanan kumparan sekunder

Dengan memperhatikan Persamaan diatas terlihat bahwa besarnya arus yang mengalir pada kumparan berpengaruh terhadap besarnya rugi konduktor, dengan kata lain besarnya beban mempengaruhi besarnya nilai kerugian.

3.4.4. Efisiensi Transformer Efisiensi transformer adalah perbandingan antara daya output yang dihasilkan dibanding dengan daya input masukannya.


P out

Efisiensi



Efisiensi



Phenomena

P in

100%

V out  I out 100% V in  I in

71

3.5

Transformer Tiga Fasa

Konstruksi suatu trafo tiga fasa terdiri dari rangaian tiga buah trafo satu fasa.

Gambar 79. Konstruksi trafo tiga fasa

Namun pada saat ini untuk transformer tiga fasa sudah menggunakan satu buah core untuk ketiga fasanya. Pada dasarnya formulasi trafo tiga fasa dikembangkan atau merupakan jumlah vektor dari tiga buah trafo satu fasa. Jadi:

P 3 fasa P 3 fasa P 3 fasa

 P 1  P 2  P 3  I 1  V 1  I 2  V 2  I 3 V 3  3 I  V

Rumus disamping ini berlaku baik pada trafo terhubung bintang maupun segitiga, dengan catatan bahwa arus (i) dan tegangan (v) adalah arus dan tegangan trafo satu fasa (bukan arus dan tegangan line).

3.5.1. Formulasi Trafo Tiga Fasa A.

Bila Rangkaian Primer Atau Sekunder Trafo Terhubung Bintang

Gambar 80. Rangkaian Terhubung Bintang


Phenomena

72

I Line  I F asa V RS V RS

 V R  V  VR  3 S

Gambar 81. Arah Vektor Tegangan Terhubung Bintang

 V V R  V S  V T  V V LL  V LN  3 P Fasa  3  I  V  V  P Fasa  3  I  LL  3   P Fasa  I V LL  3 V RS

LL

LN

3

LN

3

3

B.

Bila Rangkaian Primer Atau Sekunder Trafo Terhubung Delta

Gambar 82. Rangkaian Terhubung Delta

 V I R  I r  I I R  I r  3 V Line

Fasa

t


Phenomena

73

Gambar 83. Arah Vektor Arus Terhubung Delta

IR  IS  IT  I Line

 I s  I t  I Fasa V RS  V ST  V TR  V Line

I r

I Line  I Fasa  3 P Fasa   I V 3 3 Fasa

   I Line 3  

  V  3 

P 3 Fasa  I Line V  3 Jadi daya trafo tiga fasa adalah:

P  V  I  3 Bila bebannya impedansi maka:

P

3.6

 V  I  Cos  3

Jenis-Jenis Transformer

3.6.1. Karakteristik Umum Transformer Pada standart IEC 60076-1 Power Transformers Part 1: Secara umum power transformer didefinisikan sebagai peralatan static yang terdiri dari dua atau lebih belitan, dimana dengan induksi elektromagnet merubah sistem tegangan dan arus AC menjadi system tegangan dan arus AC yang lain yang biasanya mempunyai besar tegangan dan arus yang

berbeda

dan

mempunyai

frekuensi

yang

sama

yang

bertujuan

untuk

mentransmisikan tenaga listrik.


Phenomena

74

IEC Standart tidak membedakan antara power transformer dan distribution transformer. Keduanya merupakan transformer yang bertujuan untuk mentransmisikan tenaga listrik dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain. Secara tradisional, transformer yang menurunkan tegangan menjadi level tegangan konsumen (biasanya kurang dari 400V) disebut distribution transformer. Beberapa manufaktur seperti ABB memasukkan transformer dengan tegangan tertinggi 72.5kV ke dalam kategori distributon transformer. Sedangkan istilah power transformer digunakan untuk transformer yang mempunyai rating tegangan dan power yang lebih tinggi. Persamaan kebanyakan power transformer kecuali ukuran dan aplikasinya adalah bentuk fisik dan material dominannya, seperti:

 Magnetic steel plate tipis special pada inti, yang dapat menghasilkan medan magnet yang kuat.



Tembaga atau alumunium sebagai konduktor pada belitan.

 Cellulose seperti high density paper dan pressboard sebagai material isolasi padat.

 Minyak mineral digunakan sebagai isolasi cair dan juga sebagai media pendingin pada transformer. Terdapat dua konsep dasar yang berbeda mengenai desain dari transformer, yaitu:



Core Type

Gambar 84. Core Type



Shell Type

Gambar 85. Shell Type

Pada saat ini mayoritas transformer menggunakan core type.


Phenomena

75

3.6.2. Trafo Distribusi A.

Large Distribution Transformer

Transformer dengan tipe ini digunakan untuk menerima energy dari level tegangan yang lebih tinggi dan menyalurkannya ke gardu dengan tegangan yang lebih rendah atau langsung ke pelanggan tegangan tinggi. Range power dari trafo ini adalah dari 5000 kVA ke atas.

Gambar 86. Large Distribution Transformer

B.

Medium Distribution Transformer

Tipe transformer ini biasanya digunakan untuk menurunkan tegangan tinggi menjadi tegangan rendah untuk distribusi energy listrik di daerah perkotaan besar dan juga untuk aplikasi industry. Range power dari transformer ini adalah 400-5000 kVA.

Gambar 87. Medium Distribution Transformer

C.

Small Distribution Transformer

Tranformer tipe ini digunakan untuk menurunkan tegangan 3 fasa menjadi tengan rendah untuk mendistribusikan energy listrik ke pemukiman penduduk. Range power dari transformer ini adalah sampai 315 kVA.


Phenomena

76

Gambar 88. Small Distribution Transformer

3.6.3. Power Transformer A.

Generator Transformer

Transformer ini mengambil tegangan dari generator kemudian dinaikkan sesuai dengan level tegangan transmisi. Transformer ini biasanya terhubung secara Ynd. Berikut ini adalah beberapa alasan untuk menghubungkan sisi low voltage dengan hubungan delta:



Hubungan delta menjaga impedansi zero sequence dari transformer tetap rendah.

 Pada transformer yang besar, arus pada sisi low voltage angat besar. Pada hubungan bintang, arus yang mengalir melalui winding adalah sebesar arus line dibagi

3 . Dengan demikian dibutuhkan belitan yang lebih kecil dibandingkan jika

dihubungkan dengan hubungan bintang.

Gambar 89. Generator Transformer


Phenomena

77

B.

System Intertie Transformer

System Intertie Transformer menghubungkan system transmisi dengan level tegangan yang berbeda dengan tujuan kedua system tersebut dapat saling membantu mensuplai daya aktif maupun daya reaktif.

Gambar 90. System Intertie Transformer

3.7

Komponen Transformator

3.7.1. Inti Besi Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluks magnetik yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Inti besi terbuat dari iron-based material, karena memiliki permeability yang tinggi. Untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh Eddy Current, inti besi dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi.

Gambar 91. Inti Besi


Phenomena

78

3.7.2. Kumparan Kumparan transformer adalah beberapa lilitan kawat berisolasiyang membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut terdiri darikumparan primer dan kumparan sekunder yang diisolasi baik terhadapinti besi maupun terhadap antar kumparan dengan isolasi padat sepertikarton, pertinak dan lain-lain. Kumparan tersebut sebagai alattransformasi tegangan dan arus.

Gambar 92. Kumparan Transformer

Gambar 93. Komponen Internal Transformer


Phenomena

79

3.7.3. Minyak Transformer Minyak transformer merupakan salah satu bahan isolasi cair yang dipergunakan sebagai isolasi dan pendingin pada transformer Sebagian bahan isolasi minyak harus memiliki kemampuan untukmenahan tegangan tembus, sedangkan sebagai pendingin minyak transformer harus mampu meredam panas yang ditimbulkan, sehinggadengan kedua kemampuan ini maka minyak diharapkan akan mampu melindungi transformer dari gangguan. Minyak transformer mempunyai unsur atau senyawa hidrokarbon yang terkandung dalam minyak transformer ini adalah senyawahidrokarbon parafinik, senyawa hidrokarbon naftenik

dan

senyawahidrokarbon

aromatik.

Selain

ketiga

senyawa

diatas

minyaktransformer masih mengandung senyawa yang disebut zat aditifmeskipun kandungannya sangat kecil. Minyak transformer adalah cairan yang dihasilkan dari prosespemurnian minyak mentah. Selain itu minyak ini juga berasal dari bahan-bahan organik, misalnya minyak piranol dan silikon, berapa jenis minyak transformer yang sering dijumpai dilapangan adalah minyak transformer jenis Diala A, diala B dan Mectrans. Kenaikan suhu pada transformer akan menyebabkan terjadinya proses hidrokarbon pada minyak, nilai tegangan tembus dan kerapatan arus konduksi merupakan beberapa indikator atau variable yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu minyak transformer memiliki ketahanan listrik yang memahami persyaratan yang berlaku. Secara analisa kimia ketahanan listrik suatu minyak transformer dapat menurun akibat adanya pengaruh asam dan pengaruh tercampurnya minyak dengan air. Untuk menetralisir keasaman suatu minyak transformator dapat menggunakan potas hidroksida (KOH). Sedangkan untuk menghilangkan kandungan air yang terdapat dalam minyak tersebut yaitu dengan cara memberikan suatu bahan higroskopis yaitu silika gel. Dalam menyalurkan perannya sebagai pendingin, kekentalan minyak transformator ini tidak boleh terlalu tinggi agar mudah bersirkulasi, dengan demikian proses pendinginan dapat berlangsung dengan baik. Kekentalan relatif minyak transformator tidak boleh lebih dari 4,2 pada suhu 20 o C dan 1,8 dan 1,85 dan maksimum 2 pada suhu 50 o C. Hal ini sesuai dengan sifat minyak transformator yakni semakin lama dan berat operasi suatu minyak transformator, maka minyak akan akan semakin kental. Bila kekentalan minyak tinggi maka sulit untuk bersikulasi sehingga akan menyulitkan proses pendinginan transformator.


Phenomena

80

Sebagai bahan isolasi minyak transformator memiliki beberapa kekentalan, hal ini sebagaimana dijelaskan dalam SPLN (49-1:1980) Adapun persyaratan yang harus dipenuhi oleh minyak transformator adalah sebagai berikut. a. Kejernihan Kejernihan minyak isolasi tidak boleh mengandung suspensi atau endapan (sedimen). b. Massa jenis Massa jenis dibatasi agar air dapat terpisah dari minyak isolasi dan tidak melayang. c. Viskositas kinematika Viskositas memegang peranan penting dalam pendinginan, yakni untuk menentukan kelas minyak. d. Titik nyala Titik nyala yang rendah menunjukkan adanya kontaminasi zat gabar yang mudah terbakar. e. Titik tuang Titik tuang dipakai untuk mengidentifikasi dan menentukan jenis peralatan yang akan menggunakan minyak isolasi. f.

Angka kenetralan. Angka kenetralan merupakan angka yang menunjukkan penyusutan asam minyak dan

dapat

mendeteksi

kontaminasi

minyak,

menunjukkan

kecendrungan

perobahan kimia atau indikasi perobahan kimia dalam bahan tambahan. g. Korosi belerang Korosi belerang kemungkinan dihasilkan dari adanya belerang bebas atau senyawa belerang yang tidak stabil dalam minyak isolasi. h. Tegangan tembus Tegangan tembus yang terlalu rendah menunjukkan adanya kontaminasi seperti air, kotoran atau partikel konduktif dalam minyak. i.

Kandungan air


Phenomena

81

Adanya air dalam dalam isolasi menyebabkan menurunnya tegangan tembus dan tahanan jenis minyak isolasi akan mempercepat kerusakan kertas pengisolasi.

3.7.4. Bushing Hubungan antara kumparan transformator dan ke jaringan luar melalui sebuah busing yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator yang kontruksinya dapat dilihat pada gambar dibawah. Bushing sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki transformator.

Gambar 94. Bushing

Pada bushing dilengkapi fasilitas untuk pengujian kondisi bushing yang sering disebut center tap.

3.7.5. Tangki Konservator Tangki konservator berfungsi untuk menampung minyak cadangan dan uap/udara akibat pemanasan trafo karena arus beban. Di antara tangki dan trafo dipasangkan relai bucholz yang akan meyerap gas produksi akibat kerusakan minyak.Untuk menjaga agar minyak tidak terkontaminasi dengan air, ujung masuk saluran udara melalui saluran pelepasan dan masuknya udara ke dalam konservator perlu dilengkapi media penyerap uap air pada udara sering disebut dengan silicagel dan dia tidak keluar mencemari udara di sekitarnya.


Phenomena

82

Gambar 95. Konservator

3.7.6. Peralatan Bantu Pendinginan Transformer Pada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas akibat rugi-rugi tembaga. Maka panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, ini akan merusak isolasi, maka untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut transformator perlu dilengkapi dengan alat atau sistem pendingin untuk menyalurkan panas keluar transformator media yang dipakai pada sistem pendingin dapat berupa: udara/gas, minyak, dan air. Pada cara alamiah, pengaliran media sebagai akibat adanya perbedaan suhu media dan untuk mempercepat pendinginan dari media-media (minyak-udara/gas) dengan cara melengkapi transformator dengan sirip-sirip (radiator). Bila diinginkan penyaluran panas yang lebih cepat lagi, cara manual dapat dilengkapi dengan peralatan untuk mempercepat sirkulasi media pendingin dengan pompa-pompa sirkulasi minyak, udara, dan air, cara ini disebut pendingin paksa (Forsed). Macam-macam sistem pendingin transformator dapat dilihat pada table berikut:


Phenomena

83

Table 4. Sistem Pendingin Transformer

MEDIA

Jenis sistem

Di dalam transformator

Di luar transformator

pendingin

Sirkulasi alami

Sirkulasi

Sirkulasi alami

Sirkulasi

1.

AN

-

-

Udara

-

2.

AF

-

-

-

Udara

3.

ONAN

Minyak

-

Udara

-

4.

ONAF

Minyak

-

-

Udara

5.

OFAN

-

Minyak

Udara

-

6.

OFAF

-

Minyak

-

Udara

7.

OFWF

-

Minyak

-

Air

8.

ONAN/ONAF

Kombinasi 3 dan 4

9.

ONAN/OFAN

Kombinasi 3 dan 5

10.

ONAN/OFAF

Kombinasi 3 dan 6

11.

ONAN/OFWF

No.

Kombinasi 3 dan 7

Gambar 96. Contoh Sistem Pendingin Transformer


Phenomena

84

3.7.7. Tap Changer (On Load Tap Changer) Pada saat operasi penyaluran teaga listrik terjadi penurunan tegangan sehingga kualitasnya menurun untuk itu perlu alat pengatur tegangan agar tegangan selalu pada kondisi terbaik, konstan dan kontinu. Untuk itu trafo dirancang sedemikian rupa sehingga perubahan tegangan pada salah satu sisi input berubah tetapi sisi outputnya tetap. Alat ini disebut sebagai pengatur tap tegangan tanpa terjadi pemutusan beban maka disebut On Load Tap Changer (OLTC). Pada umumnya OLTC tersambung pada sisi primer dan jumlahnya tergantung pada perancang dan perubahan sistem tegangan pada jaringan, yang kontruksinya dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 97. Tap Changer

3.7.8. Alat pernapasan (Dehydrating Breather) Sebagai tempat penampungan pemuaian minyak isolasi akibat panas yang timbul maka minyak ditampung pada tangki yang sering disebut sebagai konservator. Pada konservator ini permukaan minyak diusahakan tidak boleh bersinggungan dengan udara karena kelembapan udara yang mengandung uap air akan mengontaminasi minyak walaupun prosesnya berlangsung cukup lama. Untuk mengatasi hal tersebut udara yang masuk ke dalam tangki konservator pada saat minyak menjadi dingin diperlukan suatu media pengisap kelembapan yang digunakan biasanya adalah silicagel. Kebalikan jika trafo panas maka pada saat menyusut maka


Phenomena

85

akan mengisap udara dari luar masuk ke dalam tangki dan untuk menghindari terkontaminasi oleh kelembapan udara maka diperlukan suatu media pengisap kelembapan yang digunakan biasanya adalah silicagel yang secara khusus dirancang untuk maksud tersebut di atas. Konstruksi alat pernapasan transformator dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 98. Dehydrating Br eather

3.7.9. Indikator-Indikator A.

Thermometer

Alat ini berfungsi untuk mengukur tingkat panas dari trafo baik panasnya kumparan primer dan sekunder juga minyak. Thermometer ini bekerja atas dasar air raksa (mercuri/Hg) yang tersambung dengan tabung pemuaian dan tersambung dengan jarum indikator derajat panas. Beberapa thermometer dikombinasikan dengan panas dari resistor khusus yang tersambung dengan tansformator arus, yang terpasang pada salah satu fasa (fasa tengah) dengan demikian penunjukan yang diperoleh adalah relatif terhadap kebenaran dari panas yang terjadi. Gambar konstruksi Thermometer dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 99. Thermometer


Phenomena

86

B.

Level Oil Indikator

Alat ini berfungsi untuk penunjukan tinggi permukaan minyak yang ada pada konservator. Ada beberapa jenis penunjukan seperti penunjukan lansung yaitu dengan cara memasang gelas penduga pada salah satu sisi konservator sehingga akan mudah mengetahui level minyak. Sedangkan jenis lain jika konservator dirancang sedemikian rupa dengan melengkapi semacam balon dari bahan elastis dan diisi dengan udara biasa dan dilengkapi dengan alat pelindung seperti pada sistem pernapasan sehingga pemuaian dan penyusutan minyak udara yang masuk ke dalam balon dalam kondisi kering dan aman. Gambar konstruksinya dapat dilhat pada gambar berikut:

Gambar 100. Oil Level Indicator

3.8

Relay Proteksi Transformer

Proteksi transrmator daya terutama bertugas untuk mencegah kerusakan transformator sebagai akibat adanya gangguan yang terjadi dalam petak/bay transformator, disamping itu

diharapkan

juga

agar

pengaman

transformator

dapat

berpartisipasi

dalam

penyelenggaraan selektifitas sistem, sehingga pengamanan transformator hanya melokalisasi gangguan yang terjadi di dalam petak/bay transformator saja.

3.8.1. Tujuan pemasangan Relai proteksi Trafo Tenaga. Maksud dan tujuan pemasangan relai proteksi pada transformator daya adalah untuk mengamankan peralatan /system sehingga kerugian akibat gangguan dapat dihindari atau dikurangi menjadi sekecil mungkin dengan cara: a. Mencegah kerusakan transformator akibat adanya gangguan/ketidak normalan yang terjadi pada transformator atau gangguan pada bay transformator.


Phenomena

87

b. Mendeteksi adanya gangguan atau keadaan abnormal lainnya yang dapat membahayakan peralatan atau sistem. c.

Melepaskan (memisahkan) bagian sistem yang terganggu atau yang mengalami keadaan abnormal lainnya secepat mungkin sehingga kerusakan instalasi yang terganggu atau yang dilalui arus gangguan dapat dihindari atau dibatasi seminimum mungkin dan bagian sistem lainnya tetap dapat beroperasi.

d. Memberikan pengamanan cadangan bagi instalasi lainnya. e. Memberikan pelayanan keandalan dan mutu listrik yang terbaik kepada konsumen. f.

Mengamankan manusia terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh listrik.

3.8.2. Gangguan pada Trafo Tenaga Gangguan pada transformator daya tidak dapat kita hindari, namun akibat dari gangguan tersebut harus diupayakan seminimal mungkin dampaknya. Ada dua jenis penyebab gangguan pada transformator, yaitu gangguan eksternal dan gangguan internal. a.

Ganggauan eksternal.

Gangguan eksternal sumber gangguannya berasal dari luar pengamanan transformator, tetapi dampaknya dirasakan oleh transformator tersebut, diantaranya



gangguan hubung singkat pada jaringan



beban lebih



surja petir

b.

Gangguan internal

Gangguan internal adalah gangguan yang bersumber dari daerah pengamanan/petak bay transformator, diantaranya:



gangguan antar fasa pada belitan



fasa terhadap ground antar belitan transformator



gangguan pada inti transformator



gangguan tap changer



kerusakan bushing



kebocoran minyak atau minyak terkontaminasi



suhu lebih.


Phenomena

88

3.8.3. Rele Diferensial (87T) Pemakaian relay differensial sebagai pengaman transformator diharapakan mampu mendeteksi gangguan-gangguan internal transformator. Gangguan-gangguan tersebut, antara lain hubung singkat di dalam kumparan dan hubung singkat antara fase kumparan. Prinsip kerja relay differensial pada transformator berdasarkan sirkulasi arus masukan atau perbandingan besarnya arus sisi primer dengan arus sisi sekunder. Prinsip kerjanya dari relay differensial adalah sebagai berikut:

 Membandingkan arus yang masuk dan yang keluar dari peralatan, jika ada selisih melebih setting rele akan kerja

 Sangat cocok untuk proteksi terhadap gangguan suatu peralatan karena tidak perlu koordinasi dengan rele lainnya dan waktu kerja bisa dibuat secepat mungkin

 Sensing CT diambil dari Primary Transformer dan Line CT di Bus supaya VR ikut terproteksi Rele ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat yang terjadi didalam daerah pengaman transformator dapat dilhat pada gambar di bawah ini.

Gambar 101. Daerah Proteksi Trafo

Karakteristik dari relay differensial dapat ditunjukkan pada kurva berikut ini:

Gambar 102. Karakteristik Relay Differensial


Phenomena

89

 Arus diferensial pickup adalah minimum arus yang dibutuhkan supaya rele kerja. Ditentukan dengan memperhatikan error CT dan juga diferensial arus antara pada saat LTC / VR di tap maksimum

 Arus diferensial didapat dari menjumlahkan komponen arus seconder di winding 1 dan winding 2 secara vektor. Jika arus berlawanan dalam artian yang satu menuju rele dan yang lain meninggalkan rele, maka akan saling mengurangi dan sebaliknya.

 Arus restrain didapat dari harga yang paling besar antara arus di winding 1 atau winding 2 yang telah disetarakan ke harga pu.

 Slope didapat dengan membagi antara Komponen arus diferensial dengan arus restrain

 Daerah di atas kurva adalah daerah kerja rele diferensial, sedangkan pada daerah di bawah kurva rele tidak akan bekerja.

 Slope 1 akan menentukan arus diferensial dan restrain pada kondisi normal dan memastikan sensitivitas rele pada saat internal fault dengan arus gangguan yang kecil.



Break 1 diset dibawah arus yang menyebabkan CT saturasi oleh komponen DC / residual magnetasi.



Break 2 diset dibawah arus yang menyebabkan CT saturasi oleh komponen AC saja

 Slope 2 berguna supaya rele tidak kerja oleh gangguan eksternal yang berarus sangat besar sehingga salah satu CT mengalami saturasi. Di set dengan slope lebih dari 50 %.

3.8.4. Rele over voltage ( 59T ) Relay over voltage ini mendeteksi apabila adanya tegangan lebih pada Transformator. Adapun prinsip kerja dari relay ini adalah sebagai berikut:

 Melihat Besar Tegangan saja tanpa memperhatikan besar frekuensi

jika

melebihi setting tegangannya maka rele akan kerja

 Setting biasanya sebesar 10 % dari tegangan nominal. Jika dipakai definite time, maka tunda waktunya sekitar 15 – 20 detik. 

Berguna untuk mencegah kerusakan winding Trafo atau Generator dari over Voltage


Phenomena

90

 Jika kenaikan Tegangan diikuti oleh kenaikan Frekuensi, maka relay akan kerja meskipun sebenarnya peralatan tidak mengalami overeksitasi

3.8.5. Rele Overexcitasi (24) Relai overexcitasi ini berfungsi untuk mendeteksi adanya gangguan kelebihan eksitasi pada belitan transformator. Adapun prinsip kerja dari relay ini adalah sebagai berikut:

 Melihat Besar Tegangan dan frekuensinya utk diperbandingkan, kemudian jika melebihi setting Volt / Hert-nya maka rele akan kerja

 Berguna untuk mencegah kerusakan insulasi winding Trafo atau Generator dari over eksitasi yang memperlemah isolasi winding

 Jika kenaikan Tegangan diikuti oleh kenaikan Frekuensi, maka relay tidak akan kerja karena peralatan tidak mengalami overeksitasi

 Rele Over eksitasi lebih tepat untuk memproteksi trafo sebab rele tidak hanya memperhitungkan besar tegangan saja tapi juga besar frequensi.

 Dalam hal CCPD sudah error terlalu besar, maka perlu diganti segera sebab akan menyebabkan rele bekerja pada tegangan yang tidak sesuai

3.8.6. Rele Bucholz Penggunaan rele deteksi gas (Bucholtz) pada Transformator terendam minyak yaitu untuk mengamankan transformator yang didasarkan pada gangguan Transformator seperti: arcing, partial discharge, over heating yang umumnya menghasilkan gas. Gas- gas tersebut dikumpulkan pada ruangan rele dan akan mengerjakan kontak-kontak alarm. Rele deteksi gas juga terdiri dari suatu peralatan yang tanggap terhadap ketidaknormalan aliran minyak yang tinggi yang timbul pada waktu transformator terjadi gangguan serius. Peralatan ini akan menggerakkan kontak trip yang pada umumnya terhubung dengan rangkaian trip Pemutus Arus dari instalasi transformator tersebut. Ada beberapa jenis rele bucholtz yang terpasang pada transformator, Rele sejenis tapi digunakan untuk mengamankan ruang On Load Tap Changer adalah relay jansen. Timbulnya gas dapat diakibatkan oleh beberapa hal, diantaranya adalah:



Hubung singkat antar lilitan pada atau dalam phasa



Hubung singkat antar phasa


Phenomena

91



Hubung singkat antar phasa ke tanah



Busur api listrik antar laminasi



Busur api listrik karena kontak yang kurang baik.

Relay ini digunakan untuk mendeteksi dan mengamankan transformator terhadap gangguan di dalam transformator yang menimbulkan gas. Gas yang timbul ini diakibatkan oleh Hubung Singkat pada kumparan, busur listrik antar laminasi dan busur listrik akibat kontak yang kurang baik. Relay Bucholz dipasang di antara tangki transformator dan konservator. Relay ini memberikan indikasi alarm kalau terjadi gangguan didalam transformator yang relatif kecil dan akan memberikan sinyal triping kalau gangguan yang terjadi di dalam transformator serius (cukup membahayakan). Relay ini biasanya digunakan pada transformator yang mempunyai rating kapasitas 750 KVA. Contoh Relay Bucholz seperti terlihat pada gambar berikut ini:

Gambar 103. Kerja Relay Buchollz

Load Tap Cahnger (OLTC) dengan prinsip kerja yang sama sering disebut dengan Rele Jansen. Terdapat beberapa jenis antara lain sema seperti rele bucholtz tetapi tidak ada kontrol gas, jenis tekanan ada yang menggunakan membran/selaput timah yang lentur sehingga bila terjadi perubahan tekanan kerena gangguan akan berkerja, disini tidak ada alarm akan tetapi langsung trip dan denganprinsip yang sama hanya menggunakan pengaman tekanan atau saklar tekanan. Gambar kontruksi Rele Bucholz seperti gambar ini:


Phenomena

92

Gambar 104. Relay Buchollz

3.8.7. Jansen membran Alat ini berfungsi untuk Pengaman tekanan lebih (Explosive Membrane) / Bursting Plate yang kontruksinya seperti gambar dibawah ini:

Gambar 105. Relay membrane JANSEN

Rele ini bekerja karena tekanan lebih akibat gangguan didalam transformator, karena tekanan melebihi kemampuan membran yang terpasang, maka membran akan pecah dan minyak akan keluar dari dalam transformator yang disebabkan oleh tekanan minyak.

3.8.8. Rele tekanan lebih (Sudden Pressure Relay) (63 FP) Relay tekanan lebih digunakan sebagai pengaman transformator untuk mendeteksi adanya tekanan-tekanan yang berlebihan akibat gangguan di dalam transformator. Relay ini merupakan relay mekanik yang menggunakan sejenis membran atau pelat yang akan


Phenomena

93

pecah oleh karena tekanan atau desakan jarum pemecah ( breaking needle) akibat gangguan dalam transformator. Suatu flash over atau hubung singkat yang timbul pada suatu transformator terendam minyak, umumnya akan berkaitan dengan suatu tekanan lebih didalam tangki, karena gas yang dibentuk oleh decomposisi dan evaporasi minyak. Dengan melengkapi sebuah pelepasan tekanan pada trafo maka tekanan lebih yang membahayakan tangki trafo dapat dibatasi besarnya. Apabila tekanan lebih ini tidak dapat dieliminasi dalam waktu beberapa millidetik, tangki trafo akan meledak dan terjadi panas lebih pada cairan, konsekuensinya pada dasarnya harus memberikan suatu peralatan pengaman. Peralatan pengaman harus cepat bekerja mengevakuasi tekanan tersebut. Gambar kontruksi rele tekanan lebih dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 106. Relay Tekanan Lebih

3.8.9. Rele pengaman tangki Rele bekerja sebagai pengaman jika terjadi arus mengalir tangki akibat gangguan fasa ke tangki atau dari instalasi bantu seperti motor kipas, sirkulasi dan motor-motor bantu yang lain, pemanas dll. Arus ini sebagai pengganti rele diferensial sebab sistim rele pengaman tangki biasanya dipasang pada trafo yang tidak dilengkapi trafo arus disisi primer dan biasanya pada trafo dengan kapasitas kecil. Trafo dipasang diatas isolator sehingga tidak terhubung ke tanah kemudian dengan menggunakan kabel pentanahan yang dilewatkan melali trafo arus dengan tingkat isolasi dan ratio yang kecil kemudian tersambung pada rele tangki tanah dengan ratio Trafo arus antara 300 s/d 500 dengan sisi sekunder hanya 1 Amp.


Phenomena

94

Tangki transformator terbuat dari bahan logam yang merupakan suatu media penghantar listrik yang baik. Meskipun jarang terjadi pada transformator, ada kemungkinan terjadi hubung singkat antara kumparan fase dengan tangki transformator. Pengaman tangki transformator biasanya menggunakan relay arus lebih dengan karakteristik waktu kerja seketika (instantaneous). Contoh pengaman tangki tanah seperti gambar 107 berikut ini :

Gambar 107. Pengaman tangki transformator

3.8.10. Rele arus lebih (over current relay)(51T) Rele ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap gangguan hubung singkat antar fasa didalam maupun diluar daerah pengaman transformator Juga diharapkan rele ini mempunyai sifat komplementer dengan rele beban lebih. rele ini berfungsi pula sebagai pengaman cadangan bagi bagian instalasi lainnya.bentuk rele ini dapat dilhat pada gambar pengawatannya pada gambar di bawahnya.

Gambar 108. Relay Arus Lebih


Phenomena

95

Gambar 109. Rangkaian Relay arus lebih

3.8.11. Rele gangguan tanah terbatas (Restricted Earth fault Relay ) (87 N) Rele ini berfungsi untuk mengamankan transformator terhadap tanah didalam daerah pengaman transformator khususnya untuk gangguan didekat titik netral yang tidak dapat dirasakan oleh rele differensial dapat dilhat pada gambar di bawah ini:

Gambar 110. Rangkaian relay gangguan tanah terbatas


Phenomena

96

Gambar 111. Konstruksi relay gangguan tanah terbatas

3.8.12. Rele arus lebih berarah Directional over current Rele atau yang lebih dikenal dengan Rele arus lebih yang mempunyai arah tertentu merupakan Rele Pengaman yang bekerja karena adanya besaran arus dan tegangan yang dapat membedakan arah arus gangguan. Rele ini terpasang pada jaringan tegangan tinggi, tegangan menengah juga pada pengaman transformator tenaga dan berfungsi untuk mengamankan peralatan listrik akibat adanya gangguan phasa-phasa maupun Phasa ketanah. Rele ini mempunyai 2 buah parameter ukur yaitu tegangan dan arus yang masuk ke dalam rele untuk membedakan arah arus ke depan atau arah arus ke belakang.Pada pentanahan titik netral trafo dengan menggunakan tahanan, rele ini dipasang pada penyulang 20 KV. Bekerjanya rele ini berdasarkan adanya sumber arus dari ZCT (Zero Current Transformer) dan sumber tegangan dari PT (Potential Transformers). Sumber tegangan PT umumnya menggunakan rangkaian Open-Delta, tetapi tidak menutup kemungkinan ada yang menggunakan koneksi langsung 3 Phasa. Untuk membedakan arah tersebut maka salah satu phasa dari arus harus dibandingkan dengan Tegangan pada phasa yang lain. Berikut adalah gambar rele arus lebih berarah:

Gambar 112. Konstruksi relay arus lebih berarah


Phenomena

97

Pengaman yang bekerja karena adanya besaran arus dan tegangan yang dapat membedakan arah arus gangguan. Relai ini terpasang pada Jaringan Tegangan tinggi, Tegangan menengah juga pada pengaman Transformator tenaga dan berfungsi untuk mengamankan peralatan listrik akibat adanya gangguan phasa-phasa maupun Phasa ketanah. Relai Ini Mempunyai 2 buah parameter ukur yaitu Tegangan dan Arus yang masuk ke dalam Relai untuk membedakan arah arus ke depan atau arah arus ke belakang. Pada pentanahan titik netral trafo dengan menggunakan tahanan, relai ini dipasang pada penyulang 20 KV. Bekerjanya relai ini berdasarkan adanya sumber arus dari ZCT (Zero Current Transformer) dan sumber tegangan dari PT (Potential Transformers). Sumber tegangan PT umumnya menggunakan rangkaian Open-Delta, tetapi tidak menutup kemungkinan ada yang menggunakan koneksi langsung 3 Phasa. Untuk membedakan arah tersebut maka salah satu phasa dari arus harus dibandingakan dengan Tegangan pada phasa yang lain.

 Relai connections Adalah sudut perbedaan antara arus dengan tegangan masukan relai pada power faktor satu.



Relai maximum torque angle Adalah perbedaan sudut antara arus dengan tegangan pada relai yang menghasilkan torsi maksimum.

Gambar 113. Diagram phasor torsi


Phenomena

98

3.8.13. Relay Suhu Relay ini digunakan untuk mengamankan transformator dari kerusakan akibat adanya suhu yang berlebihan. Ada 2 macam relay suhu pada transformator, yaitu: a. Relay Suhu Minyak Relay ini dilengkapi dengan sensor yang dipasang pada minyak isolasi transformator. Pada saat transformator bekerja memindahkan daya dari sisi primer ke sisi sekunder, maka akan timbul panas pada minyak isolasi, akibat rugi daya maupun adanya gangguan pada transformator.

b. Relay Suhu Kumparan Relay ini hampir sama dengan relay suhu minyak. Perbedaannya terletak pada sensornya. Sensor relay suhu kumparan berupa elemen pemanas yang dialiri arus dari transformator arus yang dipasang pada kumparan-kumparan transformator.

3.8.14. Relay Hubung Tanah (Earth faulth) Relay hubung tanah berfungsi untuk mengamankan transformator dari kerusakan akibat gangguan tanah (Earth faulth). Relay ini dilengkapi dengan transformator arus, kumparan kerja relay dan kumparan triping. Pada kondisi normal, dimana tidak ada gangguan yang terjadi pada transformator, jumlah arus ketiga fase sama dengan nol sehingga jumah fluks pada inti transformator sama dengan nol. Apabila terjadi gangguan tanah, maka jumlah fluks pada inti transformator tidak lagi nol. Relai arah hubung tanah memerlukan operating signal dan polarising signal. Operating signal diperoleh dari arus residual melalui rangkaian trafo arus penghantar (Iop = 3Io) sedangkan polarising signal diperoleh dari tegangan residual. Tegangan residual dapat diperoleh dari rangkaian sekunder open delta trafo tegangan seperti pada Gambar 114 Vres = Vag + Vbg + Vcg = 3Vo

Gambar 114. Rangkaian open Delta trafo tegangan


Phenomena

99

3.8.15. Relay Beban Lebih (Over Load) Relay ini berfungsi untuk mengamankan transformator dari kerusakan akibat adanya beban (arus) yang melebihi harga tertentu. Beban lebih kalau dibiarkan terlalu lama akan menyebabkan panas pada kumparan transformator sehingga bisa terjadi kerusakan isolasi pada kumparan transformator. Sensor relay ini pada umumnya berupa bimetal yang mendapat sinyal atau arus masukan dari transformator arus. Sinyal arus masukan diubah ke panas untuk mengerakkan elemen bimetal (termis).

3.8.16. Lighting Arrester Karena transformator di Gardu Induk pada umumnya berhubungan dengan rel danrel langsung

berhubungan

dengan

saluran

transmisi

sedangkan

saluran

transmisikebanyakan adalah saluran udara yang jumlah gangguannya tingi maka kemungkinan bahwa transformator mendapat gangguan karena gangguan disaluran transmisi adalahlebih besar dari pada generator.Petir yang banyak menyambar saluran udara setelah menjalar disaluran udarakemudian menuju transforrnator tetapi terlebih dahulu akan di “potong” oleh lightning arrester.

Gambar 115. Arrester


Phenomena

100

4.

Generator

Dalam suatu pembangkit listrik, Generator merupakan salah satu peralatan utama dalam suatu pembangkit yang menghasilkan energi listrik.Generator digerakkan oleh pembangkit

– pembangkit seperti tenaga nuklir, tenaga air, tenaga uap dan lain sebagainnya. Pada pembahasan ini secara umum akan dibahas mengenai generator yang digerakkan oleh turbin uap dan turbin gas yang biasa disebut dengan generator turbo atau (turbo generators).Khusus untuk turbo generator di desain dengan kutub 2 (dua) dan 4 (empat) dengan memanfaatkan desain rotor silinder halus (round rotor) yang biasanya dioperasikan pada putaran 3600 rpm dan 1800 rpm (Amerika Utara, sebagian jepang, dan sebagaian Asia) dan 3000 rpm dan 1500 rpm (Eropa, Afrika, Australia, sebagaian Asia, Sebagian Jepang dan Amerika Selatan).Kapasitas turbin dan generator pembangkit bervariasi mulai dari kapasitas kecil sampai dengan kapasitas besar hingga mencapai 1900 MW.

Gambar 116. Konfigurasi Sistem Kelistrikan

Generator sinkron merupakan komponen utama PLTU yang berfungsi untuk merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Kapasitas generator PLTU di Indonesia sangat bervariasi, karena pembangunannya disesuaikan dengan kebutuhan energi yang harus dilayani. Dimana Kapasitas salah satu faktor yang dapat mempengaruhi konstruksi dari generator. Konstruksi generator sinkron PLTU semuanya menggunakan kumparan jangkar yang menghasilkan GGL bolak balik 3 fasa


Phenomena

pada stator

sehingga memudahkan

101

penyambungan (connection) energi listrik keluar generator, karena titik terminal penyambungannya terletak pada stator. Komponen utama generator diperlihatkan pada gambar dibawah ini, terdiri dari : A. Casing (Stator frame atau rangka) B. Stator ( Inti dan Kumparan) C. Rotor D. Eksiter

Gambar 117. Kontruksi bagian utama generator

Adapun peralatan bantu atau bagian lain generator diantaranya : a. Sistem Pendingin (stator cooling water & Hydrogen Coolers) b. Sistem Perapat (Seal Oil System) c. Sistem Pelumas (Lube Oil System) d. Sistem Proteksi dan pengukuran e. Sistem Kontrol f. Sistem Pentanahan


Phenomena

102

4.1

Jenis – Jenis Generator

Generator adalah mesin pembangkit listrik yang fungsinya merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Berdasarkan tegangan yang dibangkitkan generator dibagi menjadi 2 jenis, yaitu ::



Generator Arus Searah (DC) Generator arus searah yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan output) berupa tegangan searah, karena didalamnya terdapat sistem penyearahan yang dilakukan bisa berupa oleh komutator atau menggunakan dioda



Generator Arus Bolak- Balik (AC) Generator arus bolak-balik yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan output) berupa tegangan bolak-balik.

Komponen utama pada generator adalah terdiri dari s tator dan rotor . Pada umumnya stator adalah bagian yang tak berputar (diam) yang mempunyai bagian terdiri dari rangka stator yang merupakan salah satu bagian utama dari generator yang terbuat dari besi tuang dan ini merupakan

rumah dari semua bagian-bagian generator, kutub utama

beserta belitannya, kutub-kutub pembantu beserta belitannya, bantalan-bantalan poros. sedangkan rotor adalah bagian yang berputar yang mempunyai bagian terdiri dari poros, inti, kumparan, cincin geser, dan sikat-sikat..

4.1.1 Jenis – Jenis Generator DC Generator DC merupakan sebuah perangkat listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), Jenis – jenis generator listrik DC dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan terpisah dan generator berpenguatan sendiri. A. Generator DC Penguatan Terpisah, Pada Generator DC penguatan terpisah ini, sumber arus medan (eksitasi) di pasok dari sumber terpisah dari sumber Generator maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately excited, seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini.


Phenomena

103

Gambar 118. Generator DC berpenguatan terpisah

Tegangan searah yang diterapkan pada kumparan medan magnet yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator. Jika generator dihubungkan dengan beban dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut ini : Vf = If Rf Ea = Vt + IaRa Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari luar yang dimasukkan melalui belitan L F. Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output generator yang konstan dari terminal rotor E A. Karakteristik tegangan V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati harga nominalnya. Adapun karakteristik dari generator penguat terpisah dapat diperlihatkan pada gambar dibawah ini

Gambar 119. Karakteristik Generator Penguat Terpisah


Phenomena

104

Gambar karakteristik generator penguat terpisah diatas mengambarkan kondisi :

 karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika arus beban semakin besar.



Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar

 Penurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil.

B. Genarator DC Penguatan Sendiri a. Generator DC Penguatan Sendiri Seri, Pada Generator DC penguatan sendiri seri ini, sumber kumparan medan di pasok dari sumber generator DC sendiri serta dihubungkan secara seri dengan kumparan jangkar generator seperti yang diperlihatkan pada gambar dibawah ini. Oleh karena itu, arus kumparan medan sama dengan arus kumparan jangkar.

Gambar 120. Generator DC Berpenguatan Sendiri Seri

Jika generator dihubungkan dengan beban dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut ini : Is = Ia = I L Vf = Is Rs Ea = Ia (Ra + Rf) + Vt

b. Generator Penguatan Sendiri Shunt, Pada Generator DC penguatan sendiri shunt ini, sumber kumparan medan di pasok dari sumber generator DC sendiri serta dihubungkan secara shunt dengan kumparan jangkar generator seperti yang diperlihatkan pada gambar dibawah ini. Oleh karena


Phenomena

105

itu, total arus jangkar generator merupakan penjumlahan dari arus medan dan arus beban

Gambar 121. Generator DC Penguatan Sendiri Shunt

Jika generator dihubungkan dengan beban dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut ini : Ia = Ish + I L Vf = Ish Rsh Ea = Ia Ra + Vt Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung paralel dengan rotor (A1 A2). Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan magnet stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada Gambar dibawah ini.

Gambar 122. Diagram Rangkaian Generator Shunt


Phenomena

106

Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut Adapun karakteristik dari generator shunt dapat diperlihatkan pada gambar dibawah ini

Gambar 123. Karakteristik Generator Shunt.

Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada Gambar 123. Tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat terpisah. Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.

c. Generator Penguatan Sendiri Kompon Generator Kompon Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat seri. Pada Generator DC penguatan sendiri kompon ini merupakan gabungan generator seri dan shunt dimana sumber kumparan medan dipasok dari sumber generator DC sendiri. Generator DC kompon terdiri dari Kompon panjang dan Kompon pendek. Untuk generator Kompon panjang seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini, Jika generator dihubungkan dengan beban dan Ra adalah tahanan dalam generator,


Phenomena

107

Gambar 124. Generator DC Penguatan Sendiri Kompon Panjang

maka hubungan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut ini : Ia = If1 = If2+ I L Ea = Vt + Ia (Ra + Rf) Pada generator kompon panjang, pengatur medan magnet (D1 – D2) terlitak di depan belitan shut. Seperti yang diperlihatkan pada diagram rangkaian generator kompon panjang dibawah ini.

Gambar 125. Diagram Rangkaian Generator Kompon

Adapun karakteristik dari generator kompon panjang diperlihatkan pada gambar dibawah ini

Gambar 126. Karakteristik Generator Kompon


Phenomena

108

Gambar 126 menunjukkan karakteristik generator kompon. Tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik Untuk generator Kompon pendek seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini, Jika generator dihubungkan dengan beban dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut ini : Ia = If1 + If2 = If2 + IL Ea = Ia Ra + Vt + I L Rf1

Gambar 127. Generator DC Penguatan Sendiri Kompon Pendek

4.2

Konstruksi Generator DC

Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar berikut menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC.

Gambar 128. Konstruksi Generator DC


Phenomena

109

Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator merupakan bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor merupakan bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan mengalami keausan dan harus diganti secara periodik / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.

4.3

Prinsip kerja Generator DC

Gambar 129. Prinsip Kerja Generator DC

Pada generator DC seperti diperlihatkan gambar diatas, kumparan jangkar berada pada bagian yang bergerak (rotor) dan kumparan magnet berada pada bagian yang diam (stator). Pada saat kumparan magnet di stator diberi arus DC (penguatan) maka akan timbul medan magnet yang bergerak dari sisi kutub magnet utara ke kutub magnet selatan. Pada saat rotor diputar oleh penggerak mula (primover) maka kumparan jangkar akan memotong medan magnet di stator sehingga pada kumparan jangkar di rotor akan timbul Gaya Gerak Listrik (GGL). GGL yang timbul pada kumparan jangkar merupakan GGL bolak balik dimana GGL bolak balik tersebut akan disearahkan oleh komutator dan sikat sehingga pada keluaran terminal generator akan dihasilkan tegangan searah (DC) lihat gambar dibawah ini. Pada saat generator dibebani maka akan mengalirkan arus searah pada beban.


Phenomena

110

Gambar 130. Gelombang Keluaran Generator DC

Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:



Dengan menggunaka cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.



Dengan menggunakan komutator untuk menghasilkan tegangan DC

Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 131 dan Gambar 132.

Gambar 131. Pembangkitan Tegangan Induksi

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 131 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 131.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.


Phenomena

111

Gambar 132. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar132.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 132 (2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif.

 Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan bolak – balik ( AC).  Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan)

4.3.1 Jangkar Generator DC Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat dan mempunyai sifat feromagnetik dengan permeabilitas yang cukup besar. Permeabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada daerah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiaptiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang


Phenomena

112

Gambar 133. Jangkar Generator DC

4.3.2 Reaksi Jangkar Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 134). Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.

Gambar 134. Medan Eksitasi Generator DC

Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 135).

Gambar 135. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi Jangkar (b)


Phenomena

113

Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi bergeser sebesar sud ut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator. Untuk mengembalikan garis netral keposisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu) seperti ditunjukan pada gambar 136.

Gambar 136. Generator dengan Kutub Bantu dan Utama

Gambar 136 Generator dengan Kutub Bantu (a) dan Generator Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi (b) Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 136 (a) dan (b), generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya. Kini dalam rangkaian generator DC memliki tiga lilitan magnet, yaitu : Simple Inspiring Performing

Phenomena

114



Lilitan magnet utama



Lilitan Magnet bantu (Interpole)



Lilitan magnet Kompensasi

4.4

Jenis – Jenis Generator AC

Berdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu :



Generator 1 Fasa



Generator 3 Fasa

Adapun untuk generator AC 3 fasa dapat dibagi menjadi 2 yaitu:

4.4.1 Generator Induksi Generator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator induksi sangat berguna pada aplikasi-aplikasi

seperti

pembangkit

listrik

mikrohidro,

turbin

angin,

atau

untuk

menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana (Wikipedia). Untuk mengoperasikannya, generator induksi harus dieksitasi menggunakan tegangan yang leading. Ini biasanya dilakukan dengan menghubungkan generator kepada sistem tenaga eksisting. Pada generator induksi yang beroperasi standalone, bank kapasitor harus digunakan untuk mensuplay daya reaktif. Daya reaktif yang diberikan harus sama atau lebih besar daripada daya reaktif yang diambil mesin ketika beroperasi sebagai motor. Tegangan terminal generator akan bertambah dengan pertambahan kapasitansi. Karakteristik

torka-kecepatan

mesin

induksi

seperti

kurva

pada

Gambar

137,

memperlihatkan bahwa jika motor induksi diputar pada kecepatan yang lebih tinggi daripada nsync oleh sebuah penggerak mula (prime mover) eksternal, arah torka induksinya akan berbalik dan motor akan berlaku sebagai sebuah generator. Dengan bertambahnya torka yang diberikan penggerak mula kepada porosnya, besar daya yang dihasilkan oleh generator induksi ikut bertambah. Seperti diperlihatkan gambar, terdapat nilai torka induksi maksimum yang mungkin pada mode operasi generator. Torka ini disebut dengan torka pushover generator. Jika torka yang


Phenomena

115

diberikan penggerak mula kepada poros melebihi torka pushover , generator akan overspeed .

Gambar 137. Karakteristik torka-kecepatan pada generator dan motor induksi

Ada beberapa keterbatasan ketika mesin induksi beroperasi sebagai generator. Karena tidak adanya rangkaian medan yang terpisah, generator induksi tidak dapat menghasilkan daya reaktif. Dalam pengoperasiannya, generator induks i justru mengonsumsi daya reaktif sehingga sumber daya reaktif eksternal harus terhubung kepada generator sepanjang waktu untuk menjaga medan magnet statornya. Sumber daya reaktif eksternal ini juga harus mengontrol tegangan teriminal generator. Tanpa arus medan, generator induksi tidak dapat mengontrol tegangan keluarannya sendiri. Normalnya, tegangan generator dijaga oleh sistem tenaga dimana generator tersebut dihubungkan. Satu keuntungan besar dari generator induksi adalah kesederhanaannya. Sebuah generator induksi tidak memelukan rangkaian medan terpisah dan tidak harus diputar secara terus-menerus pada kecepatan tetap. Selama putaran mesin masih lebih tinggi daripada nsync dari sistem tenaga yang terhubung padanya, mesin akan tetap berfungsi sebagai generator. Semakin besar torka diberikan kepada porosnya (sampai nilai tertentu), maka akan semakin besar daya output yang dihasilkan. Fakta bahwa tidak ada pengaturan rumit yang diperlukan membuat generator induksi menjadi pilihan yang tepat untuk kincir angin, sistem pemanfaatan panas, dan sumbersumber daya tambahan serupa yang ditambahkan kepada sistem tenaga eksisting. Pada aplikasi-aplikasi seperti itu, perbaikan faktor daya dapat dihasilkan oleh kapasitor dan tegangan terminal generator induksi dapat dikontrol sistem tenaga eksternal.


Phenomena

116

4.4.2 Generator Sinkron Berdasarkan jenis Rotor generator sinkron terdapat dua jenis generator yaitu :

 S ili nderis halus (R ound R otor) , yaitu digunakan untuk generator turbo dimana kecepatannya amat tinggi

 K utub menonjol, yaitu tipe yang dipakai untuk generator dengan kecepatan rendah dan menengah Untuk mesin-mesin pembangkit listrik yang biasa untuk putaran tinggi seperti pembangkit termal, kutub magnitnya berbentuk silindris dengan jumlah kutub magnet 2 (dua) atau 4 (empat), sedangkan mesin dengan putaran rendah seperti pada pembangkit PLTA biasanya sebanyak 6 (enam) buah kutub magnit atau lebih yang berbentuk kutub menonjol.

Gambar 138. Rotor Silinder Halus dan Kutub Menonjol Generator Sinkron

4.5

Fungsi Dan Prinsip Kerja Generator Sinkron

Generator merupakan peralatan yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator dibagi menjadi generator arus searah dan generator arus bolak balik sering disebut alternator atau generator sinkron. Prinsip pembangkitan listriknya berdasarkan induksi magnet. Unsur utama untuk membangkitkan listrik secara induksi adalah :

 Medan magnit (kumparan magnet)  Penghantar (kumparan jangkar)  Kecepatan relatif


Phenomena

117

Menurut hukum Faraday, apabila kumparan berputar didalam

medan magnet atau

sebaliknya medan magnet berputar didalam kumparan, maka pada ujung-ujung kumparan tersebut akan timbul gaya gerak listrik/GGL (tegangan). Besarnya tegangan yang diinduksikan pada kumparan jangkar tergantung pada :

 Kuat medan magnit  panjang penghantar dalam kumparan  kecepatan putar (gerakan) Oleh karena itu formula dari pembangkitan tegangan secara induksi adalah :

Harga Efektifnya : E = 4,44 f N  Volt Dimana : e = Tegangan Sesaat (V) E = Tegangan Efektif (V) N = Jumlah lilitan f = Frekuansi (Hz)



= Fluksi

Berdasarkan persamaan diatas disimpulkan

bahwa besarnya tegangan dipengaruhi

oleh:

 Jumlah lilitan (N) dimana merupakan konstanta  Frekuensi (f) dimana harus konstan pada saat beroperasi  Fluksi () dimana berubah – ubah (variabel) tergantung besar arus penguatan Berikut ini akan dijelaskan lebih rinci tentang prinsip kerj a berdasarkan keluaran tegangan output generator, diantaranya :


Phenomena

118

4.5.1 Prinsip Kerja Generator Ac 1 Fasa

Gambar 139. Prinsip Kerja Generator AC 1 Fasa

Pada generator AC 1 Fasa seperti gambar diatas, kumparan jangkar berada pada bagian yang bergerak (rotor) dan kumparan magnet berada pada bagian yang diam (stator) seperti pada generator DC. Pada saat kumparan magnet di stator diberi arus DC (penguatan) maka akan timbul medan magnet yang bergerak dari sisi kutub magnet utara ke kutub magnet selatan. Pada saat rotor diputar oleh penggerak mula (primover) maka kumparan jangkar akan memotong medan magnet di stator sehingga pada kumparan jangkar di rotor akan timbul Gaya Gerak Listrik (GGL). GGL yang timbul pada kumparan jangkar merupakan GGL bolak balik dimana GGL bolak balik tersebut akan dialirkan melalui slip ring dan sikat sehingga pada keluaran terminal generator akan dihasilkan tegangan bolak balik (AC) 1 fasa seperti pada gambar dibawah ini. Pada saat generator dibebani maka akan mengalirkan arus bolak balik 1 fasa pada beban.

Gambar 140. Gelombang Keluaran Generator AC 1 Fasa

Gambar 140 menunjukkan sebuah gulungan penghantar (kumparan jangkar) diputar didalam media medan magnet pada satu putaran (360°), menghasilkan GGL induksi arus


Phenomena

119

bolak-balik satu periode. Gelombang arus bolak-balik tersebut biasa disebut gelombang Sinusoida. Sehingga apabila kumparan jangkar tersebut diputar oleh turbin dengan putaran 3000 rpm sama dengan putaran tiap detik 50 putaran dalam sebuah generator berkutub dua, maka gelombang arus bolak-balik yang dihasilkan sebanyak 50 periode sama dengan frekuensi 50 Hz.

4.5.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron 3 Fasa Pada generator AC 3 Fasa pada gambar 141, pada umumnya kumparan jangkar berada pada bagian yang diam (stator) dan kumparan magnet berada pada bagian yang bergerak (rotor). Pada saat kumparan magnet di rotor diberi arus DC (penguatan) maka akan timbul medan magnet yang bergerak dari sisi kutub magnet utara ke kutub magnet selatan. Pada saat rotor diputar oleh penggerak mula (primover) maka kumparan medan magnet akan memotong kumparan jangkar di stator sehingga pada kumparan jangkar di stator akan timbul Gaya Gerak Listrik (GGL). GGL yang timbul pada kumparan jangkar merupakan GGL bolak balik 3 fasa dimana GGL bolak balik tersebut akan dialirkan melalui terminal menuju beban listrik. Pada saat generator dibebani maka akan mengalirkan arus bolak balik 3 fasa pada beban.

Gambar 141. Prinsip Kerja dan gelombang keluaran Generator AC 3 Fasa

Generator tiga fasa mempunyai tiga kumparan yang sama pada statornya, penempatan dari tiap kumparan berjarak 120° satu sama lain dimana diperlihatkan pada gambar diatas gelombang sinusiodal keluaran generator 3 fasa.


Phenomena

120

4.6

Konstruksi Generator Sinkron

Generator sinkron merupakan komponen utama PLTU yang berfungsi untuk merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Kapasitas generator PLTU di Indonesia sangat bervariasi, karena pembangunannya disesuaikan dengan kebutuhan energi yang harus dilayani. Dimana Kapasitas salah satu faktor yang dapat mempengaruhi konstruksi dari generator. Konstruksi generator sinkron PLTU semuanya menggunakan kumparan jangkar yang menghasilkan GGL bolak balik 3 fasa

pada stator sehingga memudahkan

penyambungan (connection) energi listrik keluar generator, karena titik terminal penyambungannya terletak pada stator. Komponen utama generator diperlihatkan pada gambar berikut yang terdiri dari : a.

Casing (Stator frame atau rangka)

b.

Stator ( Inti dan Kumparan)

c.

Rotor

d.

Eksiter

Gambar 142. Kontruksi bagian utama generator

Adapun bagian lain generator diantaranya : a. Sistem Pendingin (stator cooling water & Hydrogen Coolers) b. Sistem Perapat (hydrogen seal, dll) c. Sistem Pelumas d. Sistem Kontrol dan Proteksi


Phenomena

121

Pada bagian ini akan dibahas beberapa bagian dari generator sinkron 3 fasa diantaranya :

4.6.1 Casing Atau Rangka Stator (Stator Frame) Rangka Stator adalah salah satu bagian utama dari generator yang terbuat dari besi tuang dan merupakan rumah dari bagian-bagian generator dimana stator core, bearing bracket dan seal ring bracket terpasang.

Untuk

generator dengan pendingin hidrogen yang

bertekanan, Desain stator frame ditujukan untuk menghasilkan kontruksi casing generator yang kedap udara dan mampu menahan tekanan gas sampai 10 kg/cm 2, dua kali lipat tekanan maksimum gas. Selain itu frame harus mampu menahan torsi beban normal maupun saat gangguan. Stator frame terbuat dari material rolled steel, dan dibentuk dalam ukuran material yang besar sehingga mengurangi proses pengelasan yang harus dilakukan. Hal ini akan mengurangi kemungkinan terjadinya keretakan material.

. Gambar 143. Kontruksi Rangka Stator

4.6.2 Stator Generator Stator adalah bagian yang diam dari generator sinkron 3 fasa yang terdiri dari kumparan jangkar, dan inti besi (core), terminal dan lain sebagainya.


Phenomena

122

Gambar 144. Kontruksi Stator

Adapun penjelasan tentang bagian dari stator generator dibawah ini : A. Kumparan Jangkar (Stator Coil) Kumparan jangkar generator merupakan penghantar utama arus output generator berupa gulungan kawat penghantar yang berisolasi yang ditempatkan pada alur-alur inti besi. Kumparan jangkar seperti pada gambar dibawah ini merupakan

tempat terbentuknya

GGL induksi yang diakibatkan adanya perpotongan medan magnet putar dari rotor yang memotong kumparan jangkar/penghantar stator. Pada kumparan jangkar stator akan mengalirkan arus jangkar bolak – balik 3 fasa apabila pada kumparan tersebut terhubung dengan beban. Dimana arus tersebut akan menimbulkan panas pada kumparan yang dapat merusak isolasi kumparan jangkar dan memberi efek pemanasan pada inti besi.

Gambar 145. Konstruksi Kumparan Stator

Stator coil terbuat dari material tembaga murni (copper) yang dilapisi oleh material isolasi. Kumparan jangkar pada generator dibagi menjadi 3 bagian yang berbeda fasa 120° listr ik. Dimana umumnya dihubungkan dengan sambungan bintang (Y) dan delta ( Δ). Ujung dan pangkal tiap kumparan jangkar diberi kode angka atau huruf yang berbeda dimana:


Phenomena

123

L1 (R) adalah fasa U

X

L2 (S) adalah fasa V

Y

L3 (T) adalah fasa W  Z Seluruh kumparan pada generator dinamakan lilitan stator . Lilitan stator dari generator tiga fasa dapat disambung dalam s ambung an S eg itig a dan s ambung an B intang. Cara pengerjaan penyambungannya hubungan dapat dikerjakan diluar generator yaitu melalui papan jepit (Klem jepit) yang mana telah erdapat susunan huruf seperti : U, V, W, dan sebagainya.

Gambar 146. Penyambungan pada papan jepit

Gambar 147. Sambungan delta dan bintang

Perbedaan antara sambungan delta dan bintang akan lebih dijelaskan pada pembahasan berikut ini : a. Sambungan Segitiga (Delta) Pada sambungan segitiga, ujung – ujung permulaan dari satu fasa disambung pada ujung penghabisan dari fasa yang berikutnya.

Dengan demikian

fasa tersebut

tersambung seri dan merupakan suatu lingkaran tertutup, seperti diperlihatkan


Phenomena

124

gambar dibawah ini pada titik sambungan XW;

YU; dan ZV , yang kemudian

dipasangkan saluran jaringan R, S, dan T.

Gambar 148. Sambungan delta (segitiga)

pada sambungan segitiga terdapat tegangan – tegangan jaringan (fasa - fasa) yang sama besarnya dengan tegangan fasa. ERS

=

e1

;

EST

=

e2

;

ETR

=

Dengan cara vektor dapat dicari dan terdapatlah Arus jaring – jaring (net) yang besarnya IR = I1 . 3 ; IS = I2 . 3 ; IT = I3 . 3. Jadi pada sambungan sigitiga terdapat Arus Jaring net yang besarnya

3 (baca akar

tiga) kali lebih besar dari pada Arus fasa

b. Sambungan Bintang Pada sambungan bintang, ujung – ujung permulaan dari ketiga fasa X, Y , dan Z disambungkan pada ujung – ujung

U, V, dan W. Jika pada titik 0 (nol) juga

disambungkan satu kawat terdapatlah saluran ke empat yang dinamakan S aluran

Nol. (0). Suatu jaringan yang mempunyai 4 saluran dinamakan jaringan saluran empat, jika suatu jaringan yang tidak mempunyai

4 saluran maka jaringan semacam ini

dinamakan jari ng an s aluran tig a . Pada gambar dibawah ini nampak jelas bahwa antara saluran jaringan R, S, dan T serta saluran Nol (0) terdapat tegangan fasa e1, e2, dan e3.


Phenomena

125

Gambar 149. Sambungan bintang (Way)

pada sambungan Bintang terdapat arus jaringan (net) yang sama besarnya dengan arus fasa. IR

=

I1

;

IS

=

I2

;

IT

=

I3

Dengan cara vektor dapat dicari dan terdapatlah Tegangan jaring – jaring (net) yang besarnya ERS = e1 . 3 ; EST = e2 . 3 ; ETR = e3 . 3. Jadi pada sambungan bintang terdapat Tegangan Jaring-jaring (net) yang besarnya

3 (baca akar tiga) kali lebih besar dari pada tegangan fasa Tabel berikut ini menunjukkan hubungan antara tegangan dan arus pada sistem tenaga listrik tiga fasa, baik line maupun fasa. Table 5. Tegangan dan arus pada sistem tiga fasa

Sambungan

Phase Voltag e

Li ne Voltag e

Phas e Current Li ne C urrent

Star

VP = VLL ÷ √3

VLL = √3 × VP

IP = IL

IL = IP

Delta

VP = VLL

VLL = VP

IP = IL ÷ √3

IL = √3 × IP

B. Isolator Stator Coil Isolasi stator coil adalah material dielektrik yang melapisi coil konduktor stator sehingga secara elektrik terpisah/tidak terhubung dengan bagian inti besinya (ground). Isolasi stator coil ini terdiri dari beberapa lapisan. Karakteristik yang diharapkan dari material isolasi stator coil adalah :


Phenomena

126



Mampu menahan tegangan tinggi

 Padat secara merata (homogen), sehingga tahan terhadap penyerapan kelembaban, bahan kimia dan minyak.

 Thermal-elastis, agar mampu mengakomodasi ekspansi dan kontraksi coil akibat kenaikan atau penurunan temperatur.

Gambar 150. Konstruksi Isolasi Stator Coil

C. Inti Besi (Core ) – Stator Core Lamination Inti besi merupakan bagian tempat terpasang kumparan (stator coil) dan tempat mengalirnya induksi fluks magnet yang memotong kumparan jangkar di stator. Stator core (inti besi stator) terbentuk dari susunan plat – plat besi silicon magnetic tipis dengan ketebalan 0,35 – 0,5 mm yang membentuk suatu cakram, dimana dibagian sisi dalam dibentuk seperti gigi yang membentuk slot untuk lokasi pemasangan coil. Plat-plat pembentuk core tersebut satu sama lain dipisahkan dengan lapisan isolasi tipis yang terbuat dari bahan varnish yang dipanaskan. Plat-plat yang telah membentuk cakram itu kemudian ditumpuk dan dibaut membentuk silinder yang disebut sebagai stator core. Inti besi stator terdiri dari laminasi-laminasi plat besi yang satu dan lainnya terisolasi dengan vernis atau kertas isolasi (implegnated paper).

Gambar 151. Konstruksi inti Besi (core) Stator


Phenomena

127

Tujuan dari laminasi-laminasi tersebut adalah untuk mengurangi besarnya arus pusar (Eddy Current), karena arus pusar ini dapat menimbulkan panas pada inti stator yang dapat merusak inti stator dan isolasi kumparan penghantar, analoginya dapat diperlihatkan pada gambar berikut

Gambar 152. Analogi eddy current pada inti besi

D. Terminal Dan Bushing Generator Generator terminal adalah titik dimana output tegangan dan arus yang dibangkitkan oleh generator akan disalurkan. Generator terminal dan bushing terletak di bagian bawah sisi exciter dari generator. Ada dua buah terminal generator yaitu LINE terminal yang terhubung ke Main Transformer melalui Isolated Phase Bus-Duct (IPB) yang merupakan terminal output utama generator dan NEUTRAL Terminal yang merupakan titik hubung bintang dari stator coil generator. Masing-masing group terminal tersebut diletakkan dalam suatu kotak kedap udara yang disebut lead box. Terminal gen erator keluar menuju koneksi IPB melalui suatu phase ring yang dilingkari oleh current Transformer. Lead box ini terbuat dari material non-magnetik untuk menghindari terjadinya efek eddy-current akibat arus besar yang mengalir pada terminal tersebut. Lead box ini merupakan ruangan yang terpisah dari generator. Bushing merupakan sarana penghubung antara belitan dengan jaringan luar. Bushing terdiri dari sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator. Isolator tersebut berfungsi sebagai penyekat antara konduktor bushing dengan body Lead Box atau Isolated Phase Bus Duct (IPB).


Phenomena

128

Gambar 153. Terminal dan Bushing

4.6.3 Rotor Rotor merupakan bagian yang berputar dari generator yang yang terbuat dari plat-plat besi yang terdiri dari shaft, winding, retaining ring, bearing dan fan. Rotor pada generator sinkron merupakan bagian untuk menempatkan kumparan medan magnit. Kumparan medan magnit disusun pada alur-alur inti besi rotor, sehingga apabila pada kumparan tersebut dialirkan arus searah (DC) maka akan membentuk kutub magnet utara dan selatan.

Gambar 154. Kontruksi Rotor Silinder Halus

R otor g enerator s inkron ada dua tipe yaitu :

 S ilinderi s halus (R ound R otor) , yaitu digunakan untuk generator turbo dimana kecepatannya amat tinggi, menengah

seperti pembangkit termal, kutub magnitnya

berbentuk silindris dengan jumlah kutub magnet 2 (dua) atau 4 (empat), seperti yang diperlihatkan pada gambar dibawah ini

Gambar 155. Rotor silender halus kutub 4 dan 2


Phenomena

129

 K utub menonjol, yaitu tipe yang dipakai untuk generator dengan kecepatan rendah dan sedangkan mesin dengan putaran rendah seperti pada pembangkit PLTA biasanya sebanyak 6 (enam) buah kutub magnit atau lebih yang berbentuk kutub menonjol.

Gambar 156. Kontruksi Rotor kutub menonjol

Hubungan antara jumlah kutub magnet, frekuensi dan putaran dirumuskan seperti brkt :

p n f

= 120

dimana :

f = frekuensi p = jumlah kutub n = putaran

Sehubungan dengan persamaan ini,maka untuk frekuensi (f) = 60 Hz, harga P dan N dapat ditabel 4 berikut : Table 6. Perbandingan Frekuensi terhadap jumlah kutub dan putaran

P

2

4

6

N

3600

1800

1200


Phenomena

12

600

24

36

300

200

130

Untuk membuat kutub magnit pada rotor dengan sistem elektromagnet, yaitu mengalirkan arus searah pada kumparan medan magnet. Untuk memberikan arus listrik kumparan medan magnet atau eksitasi ke rotor dapat melalui “Slip Ring ” atau langsung lewat poros dari mesin eksitasi dengan sistem penyearah. Arus eksitasi atau penguatan medan magnet pada rotor dapat menimbulkan panas kumparan medan magnet dan arus pusar ( eddy current ) pada inti rotor yang mengakibatkan panas pada inti rotor, maka rotor tersebut perlu didinginkan. Untuk mendinginkan rotor generator cukup dengan mengalirkan udara dingin atau hidrogen melewati saluran atau rongga-rongga pada sisi kumparan medan magnet dan intinya. Agar sirkulasi media pendingin ke rongga-rongga rotor dan stator dapat bersikulasi, maka pada rotor generator dipasang baling-baling sebagai blower.

Gambar 157. Axial dan Centrifugal Rotor Fan

Berikut ini akan di jelaskan beberapa bagian dari rotor generator diantaranya : A.

Rotor Shaft

Berbeda dengan stator core yang terdiri dari laminasi plat besi tipis, konstruksi rotor core merupakan satu kesatuan dengan shaft rotor seperti gambar dibawah ini yang dibuat melalui proses penempaan secara utuh. Hal ini jelas akan memperkuat rotor untuk menahan tekanan mekanis saat berotasi. Bagian coil slot dibentuk pola trapezoid untuk memperbesar kapasitas eksitasi. Slot coil dibentuk pada rotor core secara simetris saling berlawanan dan disebar merata di 2/3 bagian lingkaran rotor. Sedangkan 1/3 bagian dari rotor yang lain tidak dibentuk slot coil.

Gambar 158. Shaft Rotor


Phenomena

131

B.

Kumparan Medan (Rotor Coil)

Rotor coil adalah susunan konduktor yang dipasang di rotor. Jika coil ini dialiri arus DC, maka akan timbul medan magnet yang saling berlawanan di permukaan kutub rotor. Saat rotor diputar, maka medan magnet akan memotong stator coil sehingga akan timbul tegangan induksi di stator coil. Rotor coil dibuat dari material campuran tembaga dan perak. Konstruksi Inner cooling rotor coil merupakan gabungan dari 2 buah serat konduktor berbentuk U, yang membentuk lubang ventilasi ditengahnya. Setiap 1 putaran coil dipasang dalam 2 bagian atau lebih. Sambungan dalam tiap coil dibuat pada bagian tengah atau sudut dari ujung coil. Lapisan isolasi yang terbuat dari material fiberglass (slot-liner) dipasang disekeliling coil memisahkan antara coil dengan rotor core. Tiap-tiap putaran coil (turns) juga saling terisolasi dengan fiberglass. Sedangkan pada bagian ujung (end), tiap-tiap coil dipisahkan oleh insulation block.

Gambar 159. Rotor Coil (kumparan rotor)

C.

Retaining Ring

Retaining ring adalah konstruksi penahan berbentuk silinder yang dipasang pada bagian luar rotor coil end, baik di sisi turbin maupun exciter. Fungsi utama retaining ring adalah menahan konstruksi rotor coil end terhadap gaya centrifugal (lempar keluar) akibat putaran rotor dan juga menyalurkan flux yang berasal dari rotor coil end. Retaining ring dibuat dari material baja non magnetik dengan gaya regang (tensile) tinggi.

Gambar 160. Retaining Ring


Phenomena

132

D.

Bantalan (Bearing)

Bantalan berfungsi sebagai penyangga rotor sehingga membuat rotor dapat stabil/lurus pada posisinya didalam casing dan rotor dapat berputar dengan aman dan bebas. Bantalan bermanfaat untuk menyangga dan menjaga r otor generator dan turbin tetap pada posisinya, disamping itu bantalan mempunyai efek menimbulkan kerugian mekanik karena gesekan. Sebagai bagian yang berputar, rotor memiliki kecenderungan untuk bergerak baik dalam arah radial maupun dalam arah aksial. Karena itu rotor harus ditum pu secara baik agar tidak terjadi pergeseran radial maupun aksial yang berlebihan. Komponen yang dipakai untuk keperluan ini disebut bantalan (bearing). Generator umumnya dilengkapi oleh bantalan jurnal (journal bearing).

Gambar 161. Jurnal Bearing

4.7

Sistem Eksitasi Dan Konstruksi Eksitasi

Penguatan medan disebut eksitasi adalah pemberian arus listrik dc pada rotor untuk membuat kutub magnet pada generator. Dengan mengatur besar kecil arus listrik dc tersebut, dapat mengatur besar tegangan keluaran, daya reaktif dan faktor daya (Cos Φ) yang diinginkan pada generator yang sedang paralel dengan sistem jaringan besar (infinite bus). Ada beberapa jenis sistem eksitasi yaitu : a. Sistem E ks itasi S tatik b. Sistem E ks itasi Dinamik

 

Sistem Eksitasi Generator DC



Sistem Eksitasi Generator AC Penyearah berputar tanpa sikat (Brusshless

Sistem Eksitasi Generator AC dengan Penyearah Statik

Excitation).


Phenomena

133

4.7.1 Sistem Eksitasi Statik Sistem Eksitasi Statik adalah sistem eksitasi generator tersebut disuplai dari eksiter yang bukan mesin bergerak atau tidak dikopel dengan rotor generator. Pada sistem eksitasi statik, sumber tegangan yang akan disearahkan oleh sistem penyearah berasal dari keluaran generator itu sendiri atau sumber lain dengan melalui transformator eksitasi. Pada umumnya sistem eksitasi statik menggunakan sikat arang dan slipring. Secara prinsip dapat diperlihatkan pada gambar berikut

Gambar 162. Diagram Prinsip Sistem Eksitasi Statik

4.7.2 Sistem Eksitasi Dinamik Sistem Eksitasi Dinamik adalah sistem eksitasi yang sumber suplai arus eksitasi diambil dari mesin yang bergerak, dan mesin yang bergerak tersebut disebut Eksiter. Umumnya eksiter tersebut sebagai penggeraknya dipasang satu poros dengan generator. Akan tetapi terdapat beberapa sistem eksiter dinamik di PLTD yang digerakkan melalui Vanbelt. Adapun gambar dibawah ini memperlihatkan bagan sistem eksiter dinamik.

Gambar 163. Eksiter seporos dengan Turbin dan Generator

Seperti kita ketahui bahwa untuk arus eksitasi adalah arus searah, maka sebagai eksiternya adalah mesin arus searah (generator DC) atau dapat juga dengan mesin arus


Phenomena

134

bolak-balik (generator AC) kemudian disearahkan dengan rectifier berputar (Rotating Rectifier).

A. Sistem Eksitasi Generator DC Prinsip sistem eksitasi dengan menggunakan eksiter generator DC digambarkan sebagai berikut:

Gambar 164. Diagram Prinsip Sistem Eksitasi Dinamik dengan Eksiter Generator DC

Seperti pada gambar

diatas, bahwa sistem eksitasi dengan menggunakan eksiter

generator DC untuk menyalurkan arus eksitasi generator utama dengan media sikat arang dan slip ring, serta keluaran arus searah dari generator eksiter melalui sikat arang. Ditinjau dari segi pemeliharaan sistem ini kurang efektif, sehingga mulai dikembangkan dengan sistem eksitensi tanpa sikat atau disebu t “ Brushless Excitation”

B. Sistem Eksitasi Generator AC Dengan Penyearah Statik Sistem eksitasi dengan sikat terdiri dari generator AC yang arusnya disearahkan dengan penyearah statik yang terdiri dari main exciter, slipring, pilot exciter atau generator frekuensi tinggi, penyearah dan pengatur tegangan otomatis. Didalam sistem ini pilot exciter atau permanen magnet generator ( PMG ) atau HFG, medan magnetnya adalah magnet permanen. Banyaknya kutub biasanya 16, sehingga menghasilkan frekuensi 400 Hz. Keluaran dari pilot eksiter adalah AC dan dialirkan Panel penyearah. Didalam panel ini tegangan diubah menjadi DC dan digunakan untuk mengontrol arus kekumparan medan eksiter utama ( main exciter ). Gambar berikut memperlihatkan konfigurasi sistem eksitasi dengan sikat untuk generator 300 MW tipikal.


Phenomena

135

Gambar 165. Sistem Eksitasi Generator AC dengan Penyearah Statik

Didalam sistem eksitasi untuk generator diproduksi melalui tiga tahap, yaitu pilot exciter, main exciter, dan rotor generator. Untuk mengalirkan arus eksiter dari main exciter ke rotor generator digunakan slipring dan sikat arang. Demikian pula penyaluran arus dari pilot exciter ke main exciter menggunakan slipring dan sikat arang.

C. Sistem Eksitasi Generator Ac Dengan Penyearah Berputar Sistem eksitasi generator AC dengan penyearah berputar yang biasa dengan sistem eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation) adalah Suatu sistem dalam menyalurkan arus eksitasi ke rotor generator utama, maupun untuk eksitasi eksiter tanpa melalui media sikat arang. Adapun diagram prinsip kerjanya adalah sebagai berikut:

Gambar 166. Sistem eksitasi Penyearah Berputar (Brushless Excitation)


Phenomena

136

Sistem eksitasi tanpa sikat pada dasarnya terdiri atas komponen yang sama dengan sistem eksitasi dengan sikat, tetapi penyearah arus dilakukan dengan peralatan yang ikut berputar ( rotary ).

4.8

Sistem Pendingin Generator

4.8.1 Fungsi Pendingin Generator Kapasitas rating generator ditentukan oleh batasan nilai temperatur dari material – material pembentuk generator. Semakin besar kapasitas rating suatu generator, semakin besar disipasi panas yang dihasilkannya dan harus semakin kuat dan besar pula kemampuan thermal dari komponen-komponennya. Generator yang beroperasi selain memproduksi energi listrik juga menghasilkan panas didalam generator. Sistem pendingin generator diperlukan untuk menyerap panas yang timbul didalam generator sehingga mencegah terjadinya panas lebih yang dapat merusak isolasi. Panas didalam generator merupakan kerugian yang menurunkan efisiensi generator. Kerugian yang menimbulkan panas didalam generator meliputi :



Kerugian Tembaga Kumparan stator dan rotor yang dilalui arus listrik mempunyai nilai tahanan tertentu. Besarnya nilai tahanan ini tergantung pada panjang, luas penampang dan jenis material (biasanya tembaga). Aliran arus listrik (I) yang mengalir melalui kumparan yang mempunyai tahanan (R) menimbulkan panas. Besarnya panas ditentukan oleh rumus : Panas =



I2 . R ( watt)

Kerugian Besi Magnetis Kumparan rotor generator dialiri arus searah yang dipasok dari eksiter sehingga menjadi magnet. Rotor yang berputar menyebabkan medan magnetnya memotong kumparan stator dan membangkitkan listrik. Tetapi tegangan juga dihasilkan didalam inti statornya sendiri (ggl lawan) sehingga meningkatkan arus Eddy (arus pusar). Arus mengalir melalui kumparan, arus Eddy juga timbul di dalam inti dan mengakibatkan panas.Untuk mengurangi besarnya arus Eddy yang menimbulkan panas, maka inti stator dibuat dari lembaran-lembaran lembara n-lembaran plat tipis yang disebut laminasi. Laminasi dibuat dari baja silikon khusus yang diisolasi satu sama lain dengan vernis atau material isolasi lain. Bagian lain dari struktur stator juga harus diperhatikan untuk mencegah terjadinya arus Eddy.


Phenomena

137

Medan magnet yang berubah-ubah secara tetap di dalam inti stator menyebabkan terjadinya lop histeris. Histerisis medan magnet ini juga menimbulkan panas. Sebagaimana arus Eddy, histerisis juga dapat dikurangi dengan membuat inti stator dengan laminasi.



Kerugian Gesekan dan Angin (Windage) Selama rotor berputar pada kecepatan nominalnya (3000 rpm), maka terjadi peningkatan panas karena pengaruh gesekan dan angin terhadap media yang mengelilinginya. Panas yang timbul pada butir a, tergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan atau oleh besarnya beban , sedang panas yang ditimbulkan oleh butir b dan c hampir konstan tidak tergantung pada beban.

Jumlah kerugian tersebut diatas harus diusahakan kecil hingga tidak lebih dari 2 % dari keluaran generator. Oleh karena itu sistem pendingin harus mampu mencegah kenaikan temperatur melebihi batas operasinya.

4.8.2 Media Pendingin Generator Untuk menyerap dan membuang panas (disipasi) yang timbul didalam generator yang sedang beroperasi dapat menggunakan beberapa media pendingin. Adapun jenis media pendingin yang biasa digunakan meliputi:

• Udara • Gas Hidrogen • Air Secara alami, semakin besar kapasitas generator maka panas yang ditimbulkan semakin besar pula. Adapun media pendingin yang paling efektif adalah air, tetapi air banyak kendala yang harus ditangani, disamping instalasinya mahal pemeliharaannyapun susah, maka generator yang media pendinginnya air terbatas pada kapasitas yang besar dan sistem pendinginannya pada kapasitas tertentu terbatas pada bagian stator, sedangkan dibagian rotor menggunakan hidrogen. A. Media Pendingin Udara Pendinginan dengan udara terbatas pada generator yang berkapasitas kecil atau untuk mesin eksiter. Tetapi selalu ada pengecualian, karena pertimbangan keamanan atau


Phenomena

138

menyangkut hak cipta pabrik. Ada juga generator berkapasitas besar menggunakan pendingin udara atau generator berkapasitas kecil menggunakan pendingin hidrogen. Kemudian untuk generator yang cukup besar kapasitasnya, yang paling sederhana penanganannya tetapi bukan berarti paling mudah, dan efektif dalam penyerapan panasnya dibanding dengan udara adalah dengan gas hidrogen. Adapun keuntungan dan kerugian penggunaan penggunaan media udara sebagai sebagai pendingin pendingin generator dan eksiter sebagai berikut Keuntungannya :



Udara mudah diperoleh dimana saja



Murah



Tidak perlu perapat poros

Kerugiannya :

B.



Kerapatannya cukup besar



Daya hantar panas rendah



Koefisien perpindahan panas rendah



Kebersihannya kurang dan kelembaban udara tinggi



Life time lebih pendek dibandingkan generator sistem pendingin hidrogen

Sirkulasi Media Pendingin Udara Generator Generator

Gambar 167. Siklus media pendingin udara generator

Udara pendingin disirkulasikan didalam generator secara sirkulasi tertutup dengan dua fan rotor dan didinginkan didalam pendingin ( Water Cooler / box cooler) yang dipasang


Phenomena

139

di luar rangka/casing stator. Aliran udara pendingin dibagi menjadi empat jalur setelah keluar fan, seperti pada gambar dibawah ini

Langkah 1. Udara diarahkan kecelah ( air gap ) melaui rotor

retaining ring. Udara ini kemudian

dialirkan ke inti stator melalui ventilating duct. Jalur ini ditujukan untuk mendinginkan retaining ring, badan rotor dan bagian pinggir inti stator. Langkah 2 Dialirkan ke kumparan stator ke duct udara dan ke ruang ( kompartemen) udara didalam rangka stator. Kemudian udara dialirkan ke duct didalam inti untuk menyerap panas dari inti dan kumparan k umparan stator. stator. Langkah 3 Udara dialirkan untuk mendinginkan kumparan rotor, aliran udara pendingin melintasi tiap kumparan kemudian mengalir ke lubang-lubang badan rotor. Langkah 4 Udara dialirkan ke kumparan stator dan ke eksiter untuk mendinginkan eksiter. Sebagian udara yang masuk ke generator bocor melalui poros, sehingga setia p saat udara ditambah dari atmosfir melalui saringan (filter). Untuk menjaga agar temperatur media pendingin tidak meningkat terus, maka setelah menyerap panas media pendingin ini harus didinginkan melalui water cooler untuk membuang panas yang dikandungnya. Oleh karena itu media pendingin harus disirkulasikan melalui sistem water cooler/Box Cooler

Gambar 168. Water Cooler (Box Cooler)


Phenomena

140

Kelebihan generator yang menggunakan sistem ini sebagai berikut :

 Sistem pemeliharaannya mudah karena sistem pendinginannya lebih sederhana jika dibandingkan dengan pendinginan hidrogen

 Biaya pemeliharaannya murah jika dibandingkan dengan generator yang menggunakan sistem pendingin hidrogen yang lebih rumit.

 Relatif bersih jika dibandingkan dengan generator yang menggunakan udara langsung karena generator jenis ini belitan stator dan rotor lebih bersih. Kekurangan generator jenis ini sebagai berikut :

 Heat transfer temperatur lebih lambat karena menggunakan udara dan proses pendinginannya juga lambat jika dibandingkan dengan pendingin generator menggunakan hydrogen..

 Kelembaban udara tinggi karena generator jenis ini tidak bisa mengatur kelembaban udara di dalam generator.

 Life time lebih pendek jika dibandingkan dengan generator yang menggunakan sistem pendingin hidrogen. Generator dengan sistem pendinginan menggunakan udara tetap juga harus dilengkapi dengan heater yang gunanya menjaga kelembaban udara ketika generator tidak beroperasi, sehingga kelembaban udara tidak terlalu tinggi dan tahanan isolasi belitan tetap tinggi.

Gambar 169. Bagan Generator dengan Sistem Pendinginan Memakai Udara Tetap


Phenomena

141

4.9

Sistem Pentanahan Generator

Sistem pentanahan generator merupakan sambungan bintang sistem 3 (tiga) phase yang titik netralnya dihubungkan ke tanah. Yang tujuannya untuk siklus tertutup arus hubung tanah dan proteksi. Pentanahan titik netral generator pada umumnya jenis pentanahan tidak langsung yaitu penghantar tanah tersebut terhubung dengan Transformator Pentanahan (NG T = Netral

Grounding Transformer) dan dihubung paralel dengan Tahanan (NGR = Neutral Grounding Resistance).

NGT

NGR

Gambar 170. Sistem Pentanahan Titik Netral Generator

Alasan Umum Untuk Menggunakan Resistor Grounding Netral adalah untuk Mengurangi arus gangguan satu fasa yang terjadi dalam jaringan listrik sehingga dapat mencegah kerusakan pada transformator dan generator.


Phenomena

142

Gambar 171. Netral Grounding Generator dan Trafo

Netral Grounding Resistor digunakan untuk tahanan pentanahan pada sistem tenaga listrik di Pembangkit. Umumnya tahanan titik netral dihubungkan antara ground dan titik netral transformator ataupun generator. Netral Grounding Resistor digunakan untuk membatasi arus maksimum agar tidak merusak peralatan pada sistem tenaga. Hal ini diperlukan dalam kaitan dengan keperluan proteksi khususnya yang menyangkut gangguan hubung tanah. Mengalirnya arus gangguan hubung tanah yang besar akan mengoperasikan relay proteksi gangguan arus fasa ke tanah sehingga arus gangguan dapat dihilangkan. Netral Grounding Resistor merupakan aplikasi yang paling umum digunakan untuk membatasi arus gangguan satu phasa dengan mempergunakan tahanan titik netral yang terhubung ke tanah pada trafo dan generator

4.10

Alat Ukur Pada Generator

Alat-alat ukur yang terpasang pada generator meliputi : a. Ampere meter



Berfungsi untuk mengukur besaran arus pada keluaran Generator, dengan jumlah 3 buah untuk penghantar 3 fasa.



Berfungsi untuk mengukur besaran arus eksitasi sumber DC.


Phenomena

143

Gambar 172. Amperemeter

b. Volt meter :

 Berfungsi untuk mengukur besaran tegangan keluaran Generator, antara fasafasa atau fasa-netral.



Berfungsi untuk mengukur besaran tegangan eksitasi.

Gambar 173. Voltmeter

c. Watt Meter Berfungsi untuk mengukur Daya aktif keluaran generator, dengan satuan KW atau MW.

Gambar 174. K ilowattmeter


Phenomena

144

d. VAR meter Berfungsi untuk mengukur Daya Reaktif keluaran generator, dapat bersifat lagging atau leading, dengan satuan KVAR atau MVAR.

Gambar 175. VAR Meter

e. KWH meter Berfungsi untuk mengukur energi listrik generator, dengan satuan KWh, MWh atau GWh.

Gambar 176. kWh Meter

f.

Cos φ meter Berfungsi untuk mengukur Faktor Daya (Power Factor ), dapat bersifat lagging atau leading.

Gambar 177. Cos φ meter


Phenomena

145

g. Frekuensi Meter Berfungsi untuk mengukur besaran frekwensi arus bolak-balik keluaran generator.

Gambar 178. Frekuensi Meter

h. Temperature Indicator Berfungsi untuk mengukur besaran panas / temperatur pada kumparan stator, dengan pendeteksi RTD (Resistance Temperatur Detector ) satuanya °C atau °F. Untuk pendeteksi inti stator dengan menggunakan thermocouple, sedangkan untuk temperatur Rotor dengan referensi arus medan.

Gambar 179. Temperature Indicator

i.

Vibrasi meter Berfungsi untuk mengukur besaran getaran / vibrasi pada poros, yang terpasang pada bearing generator, dengan satuan mm p-p atau m p-p

Gambar 180. Vibrasi Meter


Phenomena

146

j.

Pressure Indicator Berfungsi untuk mengukur besaran tekanan gas media pendingin generator dan juga ada untuk tekanan minyak perapat ( Seal Oil ).

Gambar 181. Pressure Indicator

k. Purity Indicator Berfungsi untuk mengukur kemurnian gas didalam generator, satuannya dalam prosentase ( > 96% ).

Gambar 182. Purity Indicator

l.

Alat Bantu Sinkronisasi Berfungsi sebagai alat bantu paralel generator untuk melihat kondisi sama antara

“r unning” dan incoming ”, yang meter-meternya meliputi Voltmeter double/ Voltmeter nol, Frekuensi meter double dan synchronoscope.

Gambar 183. Alat Bantu Sinkronisasi


Phenomena

147

4.11

Sinkronisasi Generator

Bila dua sistem tegangan bolak-balik ( AC ) akan di paralel, seperti pada gambar berikut, maka kesamaan dari lima kondisi atau parameter berikut ini harus dipenuhi. Kondisi tersebut adalah : a. Tegangan b. Frekuensi c. Perbedaan fasa (sudut fasa ) d. Urutan fasa e. Bentuk gelombang Urutan fasa dan bentuk gelombang merupakan konstanta yang berkaitan dengan rancang bangun dan operasinya tidak dapat dikontrol.

Sedangkan tiga kondisi lainnya harus

dikontrol agar tegangan, frekuensi dan sudut fasanya sama sebelum dihubungkan. Proses ini disebut sebaga i “ Mensinkronkan “.

Gambar 184. Sinkronisasi generator dengan jaringan listrik

A.

Prosedur Sinkronisasi Generator

Sebelum melakukan sinkronisasi generator dengan sistem jaringan

(infinite bus),

pastikan bahwa :

a. Pemutus tenaga ( circuit breaker ) generator dalam keadan terbuka. b. Pemutus tenaga sistem eksitasi generator dalam keadan terbuka. c. Generator berputar pada putaran nominal dengan governor pada posisi minimum. Simple Inspiring Performing

Phenomena

148

d. Semua kondisi unit normal untuk di sinkronisasikan. e. Sistem jaringan telah bertegangan dan pemisah pada bus sudah masuk. Prosedur sinkron pada generator secara manual adalah sebagi berikut :

a. Naikkan putaran generator dengan kontrol governor turbin hingga putarannya sama dengan kecepatan frekuensi sistem.

b. Periksa sistem eksitasi, kemudian masukan pemutus tenaga penguat medan (field breaker).

c. Naikan arus eksitasi, periksa tegangan generator bila tegangan generator mencapai normal, masukan sistem pengatur tegangan (AVR ) ke posisi auto.

d. Masukan switch synchroscope keposisi manual. Dan lihat apakah kecepatan generator fast atau slow dibanding kecepatan sistem.

e. Atur eksitasi agar tegangan generator sama dengan tegangan sistem. Atur frekuensi dan sudut fasa dengan menggunakan kontrol governor agar synchroscope berputar perlahan kearah fast.

f. Pada saat jarum synchroscope mendekati titik nol ( jam 12 ), tekan tombol pemutus tenaga generator sehingga CB masuk pada saat jarum menunjuk titik nol. Generator telah sinkron.

g. Matikan peralatan sinkronisasi dan selektor switch.

B.

Sudut Fasa dan Synchronoscope

Seringkali terdapat kerancuan antara perbedaan fasa dan frekuensi. Frekuensi adalah banyaknya siklus ( sinusoida ) dalam satu detik dari suatu sirkuit listrik. Sedang perbedaan fasa adalah pergeseran sudut antara satu sirkuit dengan sirkuit listrik yang lain untuk fasa yang sama, Untuk dapat melihat perbedaan fasa secara grafis diperlukan instrument osiloskop. Tetapi didalam penerapannya menjadi tidak praktis untuk memasang osiloskop pada panel listrik generator. Sebagai gantinya dipasang sinkroskop. Didalam sinkroskop ini hanya ditunjukan keterangan “ slow “, dan “ fast, serta titik atau garis yang terletak diantaranya. Apabila jarum menunjuk kearah flow, artinya fasa generator tertinggal dibelakang fasa sistem, sedang apabila jarum menunjuk kearah fast, artinya, fasa generator lebih cepat dari fasa sistem.


Phenomena

149

Perbedaan fasa adalah nol apabila jarum sinkroskop menunjukan titik nol ( jam 12 ) atau garis tegak diantara slow dan fast. Untuk sinkronisasi harus dilakukan pada saat jarum bergerak pelan kearah fast atau berhenti pada posisi titik nol atau mendekati titik nol antara slow dan fast. Apabila jarum berhenti tidak pada posisi titik nol, sinkronisasi tidak boleh dilakukan karena ini berarti masih ada perbedaan fasa. Dan besarnya perbedaan fasa adalah jarak antara jarum berhenti dengan titik nol. Sinkronisasi yang dilakukan pada saat sudut fasa tidak sama dengan nol atau mendekati nol dapat mengakibatkan kerusakan pada trafo dan generator, karena terjadi sentakan aliran arus sirkulasi dari generator ke sistem atau dari sistem ke generator.

Gambar 185. Sy nchroscope

4.12

Pemeliharaan Dan Pengujian Tahanan Isolasi Generator

Tujuan pemeliharaan adalah untuk mencegah terjadinya gangguan pada saat unit beroperasi, sehingga tidak mengakibatkan kerusakan yang lebih besar/fatal dan peralatan tersebut mempunyai masa pakai yang lebih lama, menghasilkan unjuk kerja yang lebih baik serta tingkat keselamatan lebih terjamin. Kerusakan terbesar pada mesin listrik berputar terutama pada mesin induksi disebabkan oleh kerusakan



Thermal S tres s es Overheating yang terjadi pada winding dan berlangsung lama, menyebabkan stress pada winding & isolasi kawat menjadi rapuh, dan lama kelamaan isolasi akan retak. Jika gejala ini disertai dengan timbulnya PD ( Partial discharge), maka proses penuaan isolasi akan semakin semakin cepat.


Phenomena

150

 Mechanical S tres s es : Winding yang tidak divarnish dengan baik, connection point , blocking coil , adalah merupakan titik paling lemah terhadap pengaruh luar, seperti mechanical vibration dan magnetic vibration.



Environmental Stresses : Kontaminasi : udara lembab, debu, karbon, minyak atau bahan kimia lain, yang terkumpul dipermukaan isolasi, adalah merupakan partikel konduktif yang dapat menghantar listrik. Karena adanya beda potensial antara winding dengan ground, maka partikel tersebut berfungsi sebagai media hantaran untuk menghantar arus listrik dari winding ke ground, karena sifat kotoran yang demikian maka pada tempat penumpukan kotoran akan terbentuk jalur hantaran listrik ( “electrical tracking ” ). isolasi winding stator.

Kerusakan Isolasi winding biasanya disebabkan oleh:



Thermal Stresses



Mechanical Stresses



Environmental Stresses

Seperti kita ketahui bahwa pelaksanaan pemeliharaan terdapat beberapa klasifikasi, diantaranya pemeliharaan yang biasa dilakukan secara rutin adalah pemeliharaan jenis preventif. Pada umumnya pemeliharaan komponen generator di unit pembangkit termal dilakukan dalam 2 katagori, yaitu :



Pemeliharaan yang bersifat Rutin.



Pemeliharaan yang bersifat Periodik.

Berikut ini akan dijelaskan lebih rinci tentang jenis-jenis pemeliharaan, diantaranya :

4.12.1 Pemeliharaan Rutin Pemeriksaan yang bersifat rutin ialah pemeliharaan yang dilakukan secara berulang dengan periode waktu harian, mingguan dan bulanan dengan kondisi sedang beroperasi, yaitu meliputi:


Phenomena

151

 Pemeriksaan temperatur belitan stator, bearing dilakukan harian pada alat ukur dilokal dan sistem DCS di ruang control room.



Pemeriksaan dan pengecekan temperatur sistem pendingin (water cooler) dilakukan harian pada alat ukur dilokal dan system DCS di ruang control room

 Pemeriksaan vibrasi pada bearing generator dilakukan harian melalui alat ukur terpasang dilokal dan system DCS di ruang control room

 Pemeriksaan energi, arus, tegangan, daya, cos phi pada sisi stator dilakukan setiap harian (Lokal dan DCS)



Pemeriksaan arus dan tegangan rotor dilakukan setiap harian (Lokal)



Pemeriksaan dan pembersihan panel eksiter dan avr dilakukan Mingguan



Pemeriksaan dan pembersihan panel proteksi dan pengukuran dilakukan Mingguan

 Pengukuran tegangan AC dan DC pada Panel proteksi, pengukuran dan panel eksiter dilakukan mingguan



Pemeriksaan sistem grounding bodi generator dilakukan bulanan



Pemeriksaan panel dan sistem pentanahan netral generator dilakukan bulanan



Pemeriksaan sistem grounding pada rotor dilakukan bulanan.

 Pemeriksaan kebocoran minyak perapat (khusus generator dengan pendingin hidrogen) dalam sekali sebulan.

 Pemeriksaan vibrasi dilakukan bulanan dengan menggunakan alat ukur portable vibrasi sedangkan untuk pemeriksaan Vibrasi di alat ukur local dan sistem DCS di control room dilakukan setiap hari.



Pemeriksaan tekanan hidrogen, seal oil pump dilakukan harian.



pemeriksaan sikat arang (Static Excitation / DC Dinamic Excitation).

 Pemeriksaan kebocoran sistem pendingin (water cooler) dengan visual dilakukan harian



Pemeriksaan tekanan dan purity dari gas hydrogen



Pembersihan sistem filter udara untuk generator dengan sistem pendingin udara.


Phenomena

152

Pada dasarnya penggantian sikat arang dapat dilakukan pada keadaan mesin beroperasi, karena pada mesin-mesin yang besar biasanya sikat arang dipasang tidak hanya satu tetapi ada beberapa pasang dengan cara paralel. Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pelaksanaan penggantian pada kondisi beroperasi, yaitu:



Terjadinya sengatan listrik atau terbakar.



Terjadi kontak dengan peralatan yang berputar.



Lokasi tempat kerja harus bersih, penerangan yang cukup dan diberi batas.

 Petugas pelaksana harus berpakaian rapi tidak sobek dan pakaian lengan pendek.



Semua piranti kerja harus terisolasi dan tidak dapat jatuh pada saat kerja.

 Beri catatan (tagging) pada panel kontrol bahwa sedang dilaksanakan pekerjaan penggantian sikat arang.

 Sebelum sikat arang lepas dari rumah sikat arang, periksa dan yakinkan bahwa sikat arang yang lain mengontak dengan baik terhadap komutator slip ring.



Cek tekanan sikat arang, tidak boleh terlalu lemah atau terlalu keras.

Bila tekanan kurang baik akan mengakibatkan:



Kontak kurang baik.



Bergetar.



Timbul bunga api.



Sikat arang cepat aus.

4.12.2 Pemeliharaan Periodik Pemeriksaan yang bersifat periodik ialah pemeriksaan yang dilakukan berdasarkan lama operasi dari generator, yang diklasifikasikan:



Pemeriksaan sederhana (Simple Inspection) dilakukan setiap 8.000 jam.



Pemeriksaan sedang (Mean Inspection) dilakukan setiap 16.000 jam.



Pemeriksaan serius (Serious Inspection) dilakukan setiap 32. 000 jam.


Phenomena

153

Pemeriksaan periodik kegiatan yang dilakukan meliputi pembongkaran ( disassembly ), pemeriksaan (inspection) dan pengujian (testing ). Kegiatan pemeriksaan tersebut tidak harus semua komponen dilakukan sama, melainkan tergantung dari klasifikasi pemeriksaan periodiknya. Pemeriksaan sederhana dan sedang, komponen yang diperiksa tidak seluruhnya melainkan sebagian saja. Tetapi pemeriksaan serius, kegiatan-kegiatan seperti tersebut diatas dilakukan secara menyeluruh terhadap generator dan alat bantunya. A. Pemeliharaan Periodik Sederhana (S imple Ins pection) Jenis pemeliharaan ini merupakan pemeriksaan yang dilakukan terhadap alat-alat bantu, kekencangan baut, gland seal pompa ataupun penggantian peralatan yang ringan yang bersifat perbaikan. Pelaksanaan pemeliharaan ini setelah mesin beroperasi selama 8.000 jam. Adapun program standar pemeliharaan sederhana dapat dilihat pada Tabel 5. Table 7. Progr am standar pemeliharaan sederhana (simple inspection)

KELOMPOK

DAN

PERALATAN

PROGRAM STANDAR

CATATAN

Generator tidak dilakukan pembongkaran pengujian tahanan isolasi pembersihan

terminal

keluaran

dan

isolator Stator

diperiksa kerusakan dari porselin bushing dan permukaan sambungan serta kondisi bagian dalam kotak saluran dan netralnya. Pemeriksaan Klem kawat pentanahan dan bagian-bagiannya


Phenomena

154

KELOMPOK

DAN

PERALATAN

PROGRAM STANDAR

Cek

pendeteksi

CATATAN

temperatur

kumparan

stator (RTD), bila perlu diuji tidak

dilakukan

pemeriksaan

(pembongkaran)

Rotor

pengujian tahanan isolasi Bagian-bagian mekanik

periksa ikatan/kelonggaran bautnya periksa

Bantalan

ikatan/kelonggaran

baut-baut

pada bagian luar cicin bantalan

Terminal dan wiring

periksa kerusakan dan kondisi settingnya

Brushless exciter Rotor

periksa kelonggaran beban penyeimbang periksa sekeringnya

Dioda

putar

(dioda

wheel )

periksa kerusakan dan perubahan bentuk dari ujung penghantar (lead )

Bantalan

periksa

ikatan/kelonggaran

baut-baut

pada bagian luar cicin bantalan periksa kerusakan, retak, atau putusnya ujung penghantar fasa

AC generator

periksa tahanan isolasi kumparan medan periksa baut pengencangnya


Phenomenal

155

KELOMPOK

DAN

PERALATAN

PROGRAM STANDAR

CATATAN

periksa celah antara stator dan rotor

Generator

magnet

permanen

periksa isolasi stator periksa baut pengencangnya

1.1. Sistem Eksitasi Statik Periksa sikat arang dan tekanannya Periksa baut-baut terminal dari sikat arang 1.2.

Periksa kekotoran pada dudukan sikat

Sikat Arang

arang Periksa keausan dari permukaan sikat arang Periksa permukaan yang cacat Slipring Periksa kebersihan permukaan slipring Periksa kebersihan sistem rectifier Rectifier Dilakukan pengukuran recifier Periksa baut – baut dan bekas pemanasan Trafo Eksiter Ukur tahanan isolasi

Sistem Pendingin Udara saluran udara


periksa dan bersihkan saringan udara

Phenomenal

156

KELOMPOK

DAN

PERALATAN

PROGRAM STANDAR

CATATAN

periksa dan bersihkan permukaan dalam saringan udara Cleaning pipa-pipa Cooler Water Cooler Pengukuran kebocoran cooler Sistem pendingin H2 Tangki H2

pengujian

Sirkuit H2

pengujian

Sirkuit minyak perapat

pengujian

pendingin gas H2

tidak dilakukan pemeriksaan

unit gas H2 dan minyak

periksa

perapat

panel-panelnya,

seperti

panel

kontrol dan sebagainya pengukuran Tekanan dan Purity Hidrogen Pengukuran tekanan minyak perapat

pengukuran pengujian sequence sirkuit kontrol yang berhubungan dengan unit gas H2 dan minyak perapat


Phenomenal

157

4.12.3 Pengujian Tahanan Isolasi Pada Generator Pada Generator Sinkron pengujian tahanan isolasi atau megger dilakukan pada sisi stator, rotor dan eksiter. Berikut ini akan dijelaskan tentang pengujian tahanan isolasi pada stator generator A. Pengertian tahanan Isolasi Pengukuran tahanan isolasi adalah mengukur besaran nilai tahanan isolasi yang mampu memberikan perlindungan/isolasi antara bagian yang bertegangan dan tidak bertegangan atau yang bertegangan dengan tegangan lainnya. Setidaknya suatu instalasi listrik harus mempunyai perlindungan yang cukup dari adanya hubungan pendek dan hubung tanah. B. Peralatan Yang digunakan Alat ukur untuk mengukur tahanan isolasi biasa disebut “Megger ”. Alat ukur Megger prinsip kerjanya ada yang sistem engkol dan sistem elektronik. Besar tegangan DC alat ukur sebesar 500 V, 1000 V, 2500 V, 5000 V dan 1 kV. Ada dua jenis Insulation Tester yaitu Insulation Tester Elektronik dan Insulation Tester Engkol. Adapun pada gambar dibawah ini memperlihatkan contoh insulation tester (megger) elektronik.

Gambar 186. Insulation Tester Elektronik

: Bagian-bagian Insulation Tester Elektronik dan fungsinya :



Function Selctor Switch sebagai pemilih fungsi tegangan input DC



Line Test Lead With Probe sebagai kabel test yang dihubungkan dengan konduktor



Earth Lead berfungsi sebagai kabel test ke ground

 Tombol lampu pada skala sebagai tombol untuk menghidupkan lampu pada papan skala



Skala Ukur sebagai papan skala pembaca pengukuran


Phenomena

158

C. Prosedur Pengujian

Gambar 187. konfigurasi alat ukur dan peralatan

a)

Pemasangan pentanahan local (Local Grounding ) disisi terminal Generator dengan tujuan membuang Induksi Muatan ( Residuak Current ) yang masih tersisa pada belitan.

b) Melepas hubungan way ( Y ) generator terhadap ground terlebih dahulu. c)

Pembersihan permukaan belitan, tempat belitan dengan memakai material cleaner dan lap kain yang halus dan tidak merusak permukaan isolator dengan tujuan agar pengukuran memperoleh nilai (hasil) yang akurat.

d) Melakukan pengukuran tahanan isolasi antara :



Terminal R terhadap cashing ( body ) / tanah.



Terminal S terhadap cashing ( body ) / tanah.



Terminal T terhadap cashing ( body ) / tanah.

e) Mencatat hasil pengukuran tahanan isolasi . f)

Hasil pengukuran ini merupakan data terbaru hasil pengukuran dan sebagai bahan evaluasi pembanding dengan hasil pengukuran sebelumnya.

D. Standar pengujian Standar

tegangan

pengujian

berdasarkan

Standard

IEEE

Publication

43,

1974diperlihatkan pada tabel 6


Phenomena

159

Table 8. Standard tegangan DC yang di aplikasikan pada saat pengujian

Nilai minimum Tahanan Isolasi adalah: (Un + 1) M , dimana Un merupakan tegangan nominal peralatan dalam satuan kV. Sedangkan berdasarkan IEEE Std. 43-2000, IEEE merekomendasikan secara praktis untuk pengujian tahanan isolasi pada mesin berputar (Approved 6 Maret 2000). Table 9. Rekomendasi nilai tahanan isolasi minimum pada 40°C (M Ω)


Phenomena

160

5.

Baterai

Baterai merupakan peralatan yang berisi bahan-bahan kimia yang dapat memproduksi elektron. reaksi kimia yang dapat menghasilkan elektron disebut dengan elektrokimia. Secara umum baterai dikelompokkan menjadi 2 jenis, yaitu : a. Baterai Primer Baterai yang didesain hanya untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik untuk sekali saja, seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini

Gambar 188. Baterai primer

b. Baterai Sekunder Baterai Sekunder atau “ Storage Battery, yang didesain dapat membalikan proses konversi energi dan dapat digunakan secara berulang untuk discharge dan charging. Jenis baterai sekunder yang banyak digunakan adalah baterai timah hitam (lead acid) dan baterai Nikel Cadmium, seperti pada gambar dibawah ini

Gambar 189. Baterai sekunder 2V tipe VRLA (GEL)

Pada tabel dibawah ini diperlihatkan perbandingan baterai sekunder antara bateri timah hitam (lead Acid) dengan baterai nikel cadmium


Phenomena

161

Table 10. Karakteristik dan tipe baterai sekunder Lead acid Vs Nikel Cadmium

Pada bab ini akan dibahas tentang baterai sekunder yang didefinisikan suatu peralatan listrik yang dapat menyimpan dan mengeluarkan energi listrik melalui proses kimia (elektrolisa). Baterai dapat terdiri dari susunan beberapa sel atau hanya satu sel dan tiap sel terdiri dari elektroda positif (+),

elektroda

negatif

(-)

dan

elektrolit.

Elektrolit

yang digunakan tergantung dari pabrik yang memproduksinya. Dalam perkembangan teknologi baterai, terdapat 8 macam jenis baterai, Yaitu:



Lithium-ion (Li-ion).



Sodium-Sulphur (NaS).



Nickel-Cadmium (NiCd).



Nickel-Metal Hydride (NiMH).



Lead-Acid (PbA).



Vanadium-Redox (VRB).



Zinc-Bromine (ZnBr).



Polysulfide-Bromide (PSB).

Dalam aplikasinya baterai banyak digunakan dalam proses aktivitas sehari – hari diantaranya : a. Pada pembangkit Listrik



Untuk tegangan kontrol dan relay proteksi


Phenomena

162



Penerangan darurat



Motor – motor arus searah



Sistem telekomunikasi



UPS (Uninterruptible Power Supply)



Tanda – tanda isyarat (signalling and alarm)



Sistem Photovoltaik atau PLTS

b. Pada fasilitas umum lain

 Sistem radio  Sistem penerangan kapal laut  Stasiun Broadcast  HP dan Laptop  Kendaraan Mobil dan Motor  Jam dinding dan tangan  Dan lain – lain Ada beberapa contoh gambar aplikasi baterai dalam bidang pembangkitan yang diperlihatkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 190. Aplikasi Baterai untuk suplai power di sistem essens ial pembangkit


Phenomena

163

Gambar 191. Aplikasi baterai pada sistem UPS

Gambar 192. Aplikasi Baterai pada perangkat proteksi

Pada Umumunya baterai berfungsi sebagai media penyimpan dan penyedia energi listrik. Sumber listrik yang digunakan sebagai pembangkit daya dalam bentuk arus searah (DC), dimana

digunakan

pada

peralatan-peralatan

yang

menggunakan

sumber

DC.

Keistimewaan dari baterai adalah bila energi listrik sudah habis atau kosong, maka energinya dapat diisi kembali, sedangkan energi listrik yang dapat disimpan dalam baterai adalah arus searah.


Phenomena

164

Dalam sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), energi listrik yang dihasilkan dari solar photovoltaic (PV) tidak dapat selalu digunakan karena permintaan energi listrik tidak selalu bertepatan dengan produksi, maka baterai sebagai penyimpan energi umumnya digunakan dalam sistem PLTS seperti diperlihatkan pada gambar 193. Secara umum fungsi baterai sebagai penyimpan energi dalam sistem PLTS adalah sebagai berikut : a. Kemampuan menyimpan energi (Energy storage capacity) yang digunakan untuk menyimpan energi listrik ketika diproduksi oleh Photovoltaik (PV) dan menyalurkan energi listrik kebeban, ketika permintaan pelanggan bertepatan dengan Photovoltaik tidak memproduksi energy listrik. b. Alat untuk menstabilkan tegangan dan arus (voltage and current stabilization) digunakan untuk memasok energi listrik kebeban pada tegangan dan arus yang stabil dengan menekan atau menghaluskan transient atau ripple tegangan dan arus yang mungkin terjadi dalam sistem PLTS. c. Sebagai suplai arus surge yang digunakan memasok surge atau arus puncak tinggi untuk beban atau peralatan listrik.

Gambar 193. Aplikasi baterai pada sistem PLTS (Photovoltaik)

5.1

Konstruksi Baterai

Baterai terdiri dari beberapa bagian seperti pada gambar dibawah ini, yaitu : a. Sel baterai Terdiri dari elektroda positif (+) disebut anoda dan elektroda negatif (-) disebut katoda. Sel baterai merupakan unit dasar dalam elektrokimia baterai, yang terdiri dari satu sel plate positif dan negatif yang terpisahkan oleh separator, dimana plat tersebut direndam dalam larutan elektrolit dan tertututp dalam casing. Tipe baterai


Phenomena

165

lead acid, setiap sel memiliki tegangan nominal sekitar 2,1 Volt, jadi jika ada 6 sel baterai terhubung seri maka tegangannya menjadi 12 Volt b. Bahan aktif dalam baterai adalah bahan baku yang membentuk komposisi plat positif dan negatif, dan komponen reaktan dalam sel elektrokimia. Jumlah bahan aktif dalam baterai sebanding dengan kapasitas baterai yang dapat diberikan. Dalam tipe baterai lead acid, material aktif adalah lead dioxide (PbO2) untuk plat positif dan metalic sponge lead (Pb) pada plate negatif yang bereaksi dengan sulfuric acid (H2SO4) selama baterai beroperasi. c. Elektrolit berupa cairan Asam sulfat (H 2SO4) maupun potasium hydroksida (KOH). Penggunaan Asam sulfat maupun potasium hydroksida tergantung dari karakteristik baterainya. Elektrolik merupakan media penghantar yang memungkinkan mengalirnya arus melalui transfer ion atau elektron antara plate dalam baterai. Baterai tipe lead acid merupakan larutan sulfuric acid yang berupa liquid (flooded) baik berupa gelled atau absorbed dalam glass mats. d. Separator diperlukan pemisah antara dua reaksi elektroda dan harus diperhatikan agar tidak terjadi kontak eletronik secara seksama karena pada saat berbeban akan menyebabkan pengosongan baterai (battery discharge). e. Grid dalam baterai lead acid merupakan paduan lead alloy yang mendukung bahan aktif pada plate baterai dan juga arus konduktor. Elemen paduan terdiri dari antimony dan calcium digunakan untuk memperkuat jaringan lead dan mempunyai karakteristik pada kinerja baterai seperti kinerja cycle dan gassing. Beberapa grid dibuat dengan memperluas lembaran timah paduan tipis ke piring datar, sementara yang lain terbuat dari bahan aktif berlapis disekitarnya dengan membentuk tabung atau piring tubular. f. Seal terminal merupakan salah satu elemen yang penting pada baterai dengan elektrolit cair yang menggunakan vent harus dicegah cairan elektrolit yang bocor, khususnya amati dengan seksama baterai yang menggunakan elektrolit alkaline. Kemudian harus diperhatikan juga hidrogen yang keluar dan oksigen yang masuk ke area yang mengandung hidrogen di sekitar baterai. g. Kontainer merupakan tempat elektrolit dan elektroda positif (+) dan negatif (-). Setiap satu sel maupun beberapa sel mempunyai satu kontainer.


Phenomena

166

Berbagai macam material plastik digunakan pada berbagai macam sistem. Pada baterai asam ( lead-acid ) harus digunakan kaca, karet, atau plastik yang bergantung pada tegangan sel yang lebih tinggi yang akan menghancurkan seluruh logam. Keuntungan dari kontainer plastik adalah tidak dibutuhkannya insulasi antara sel yang memiliki batasan.

Gambar 194. Konstruksi Baterai

5.2

Prinsip Kerja Baterai Asam – Timah (Lead Acid)

Pada baterai akan mengalami proses pengosongan muatan (discharge) dan proses pengisian muatan (Charger). Berikut ini akan dijelaskan prinsip kerja pengosongan muatan dan pengisian muatan pada baterai asam (Lead Acid). Proses Pengosongan Muatan (Discharge) Bila baterai dibebani, maka tiap ion negatif sulfat (SO4

--

) akan bereaksi dengan plat

timah murni (Pb) sebagai katoda (negatif) menjadi timah sulfat (PbSO 4) sambil


Phenomena

167

melepaskan dua elektron. Sedangkan sepasang ion hidrogen (2H

+

) akan beraksi dengan

plat timah peroksida (PbO 2) sebagai anoda (positif) menjadi timah sulfat (Pb SO4) sambil mengambil dua elektron dan bersenyawa dengan satu atom oksigen untuk membentuk air (H2O). Pengambilan dan pemberian elektron dalam proses kimia ini akan menyebabkan timbulnya beda potensial listrik antara kutub-kutub sel baterai. Pada elektroda negatif Pb + HSO4

--

PbSO4 + H+ + 2e- (0,356 V)

pada elektroda positif PbO2 + 3H+ + HSO4 - - + 2e-

PbSO4 + 2H2O (1,685 V)

Proses tersebut terjadi secara simultan dengan reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut : Pb O2 + Pb + 2 H2SO4

2Pb SO4 + 2 H2O (2,041 V)

dimana : PbO2

=

Timah peroksida (kutub positif / anoda)

Pb

=

Timah murni (kutub negatif / katoda)

2H2SO4

=

Larutan Asam sulfat (elektrolit)

2Pb SO4

=

Timah sulfat / garam (kutub positif dan negatif )

H2O

=

Air yang terjadi setelah pengosongan

Pada gambar 195 dibawah ini, akan dijelaskan ilustrasi baterai mengalami proses pengosongan muatan (Discharge) pada baterai Asam – Timah (Lead Acid) :

Gambar 195. Proses Pengosongan Muatan (Discharge) Baterai Lead Acid


Phenomena

168

Ilustrasi A : Pada saat baterai terisi penuh maka kapasitas (Ampere – hour) baterai 100 %, tegangan baterai menjadi penuh (pengisian penuh) serta berat jenis elektrolit (specific gravity) akan maksimal, dimana larutan akan sangat bersifat asam (H2SO4), pelat positif dan negatif pada kondisi normal. Ilustrasi B : pada saat baterai mulai dikosongkan (sekitar 50 % dari kapasitas) dengan menghubungkan baterai dengan beban, maka kapasitas (Ampere – Hour) baterai berkurang sekitar 50 %, tegangan baterai akan menurun dari tegangan nominal (<2,0 V), berat jenis (Specific Gravity) akan menurun dimana terjadi penurunan densitas atau konsentrasi asam (H2SO4) sudah mulai terbentuk air (H2O), pelat positif dan negatif mulai terjadi penambahan volume dari kondisi normalnya dimana pada pelat tersebut mulai terbentuk garam (PbSO4) sehinggan mulai terjadi penurunan kapasitas baterai. Ilustrasi C : pada tingkat pengosongan baterai selanjutnya (pengosongan 100 %) maka kapasitas (Amper – Hour) baterai akan menurun sampai ke 0 %, tegangan baterai akan semakin turun dari tegangan nominal (<<2 V), berat jenis akan semakin turun dimana akan terjadi penurunan lebih besar terhadap densitas atau konsentrasi asam (H2SO4) karena terbentuknya air (H2O) semakin banyak, pelat positif dan negative akan semakin bertambah volume (tebal) dimana pada pelat tersebut sudah terbentuk endapan garam (PbSO4) sehingga kapasitas baterai mencapai titik terendah Jadi pada proses pengosongan baterai, maka akan terjadi beberapa kondisi: Proses Discharge (Pengosongan muatan) Baterai Lead Acid, terjadi perubahanperubahan parameter pada baterai diantaranya: a. penurunan kapasitas (ampere-hour baterai) b. penurunan tegangan baterai c. penurunan berat jenis (Specific Gravity). d. penurunan konsentrasi atau densitas asam e. pembentukan air (H2O) f. pertambahan volume pelat positif dan negative dengan terbentuknya endapan garam (PbSO4). Proses Pengisian Muatan (Charge) Proses ini adalah kebalikan dari proses pengosongan dimana arus listrik dialirkan yang arahnya berlawanan dengan arus yang terjadi pada saat pengosongan. Pada proses ini setiap molekul air terurai dan tiap pasang ion hidrogen ( 2H

+

) yang dekat plat negatif

bersatu dengan ion negatif Sulfat (SO4 --) pada plat negatif untuk membentuk Asam sulfat.


Phenomena

169

Sedangkan ion oksigen yang bebas bersatu dengan tiap atom Pb pada plat positif membentuk timah peroxida (Pb O 2). Pada elektroda negatif PbSO4 + H+ + 2e-

Pb + HSO4

--

(0,356 V)

pada elektroda positif PbO2 + 3H+ + HSO4 - - + 2e-

PbSO4 + 2H2O

(1,685 V)

Proses tersebut terjadi secara simultan dengan reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut : 2Pb SO4 + 2 H2O

Pb O2 + Pb + 2 H2SO4

(2,041 V)

Pada gambar 196 dibawah ini, akan dijelaskan ilustrasi baterai mengalami proses pengisian muatan (Charge) pada baterai Asam – Timah (Lead Acid) :

Gambar 196. Proses Pengisian Muatan (Charge) Baterai Lead Acid

Ilustrasi A : pada tingkat pengosongan baterai mencapai 100 % maka kapasitas (Amper

– Hour) baterai akan mencapai 0 %, tegangan baterai pada saat ini disebut tegangan pengosongan yang nilainya merupakan titik terendah tegangan baterai dimana nilai tegangannya lebih kecil dari tegangan nominal (<<2 V), berat jenis akan kecil karena banyaknya terbentuk air (H2O) sehingga densitas atau konsentrasi asam (H2SO4) berkurang/mengecil,

pelat positif dan negative menjadi tebal (bertambah) dari kondisi

normalnya karena adanya endapan garam (PbSO4) yang banyak. Dimana kondisi ini kapasitas baterai mencapai titik terendah.


Phenomena

170

Ilustrasi B : pada saat baterai mulai dihubungkan dengan sumber arus DC maka kondisi mulai terisi (sekitar 50 % dari kapasitas), maka kondisi ini kapasitas (Ampere – Hour) baterai akan meningkat sekitar 50 % dari kapasitasnya, tegangan baterai akan naik dari tegangan kosong baterai mendekati tegangan nominal baterai (<2,0 V), berat jenis (Specific Gravity) akan naik dimana terjadi kenaikan densitas atau konsentrasi asam (H2SO4) dan kandungan air (H2O) berkurang, pelat positif dan negatif mulai terjadi penurunan volume dari kondisi awal pengosongan dimana pada pelat tersebut mulai terurai/terlarut garam (PbSO4) pada cairan elektrolit (H2SO4) sehingga mulai terjadi peningkatan kapasitas baterai. Ilustrasi C : Pada saat baterai terisi penuh sekitar 100 % pengisian maka kapasitas (Ampere – hour) baterai 100 %, tegangan baterai menjadi penuh (pengisian penuh) serta berat jenis elektrolit (specific gravity) akan maksimal karena density atau konsentrasi asam (H2SO4) meningkat dan kandungan air (H2O) sangat kecil, dimana larutan akan sangat bersifat asam (H2SO4) dan pelat positif dan negatif pada kondisi normal karena endapan garam sudah terlarut pada cairan elektrolit (H2SO4). Jadi pada proses pengosongan baterai, maka akan terjadi beberapa kondisi: a. Meningkatnya kapasitas (ampere-hour baterai) b. Meningkatnya tegangan baterai c. Meningkatnya berat jenis (Specific Gravity). d. Meningkatnya konsentrasi atau densitas asam e. larutan sangat bersifat asam (H2SO4) f. volume pelat positif dan negative menjadi normal karena endapan garam (PbSO4) terlarut dalam larutan asam sulfat (H2SO4). g. mulai terbentuknya gas H2 dan O2 pada tegangan 2,3 Volt Pada gambar dibawah ini, akan dijelaskan ilustrasi baterai mengalami proses pengisian berlebih muatan (Overcharge) pada baterai Asam – Timah (Lead Acid)


Phenomena

171

Gambar 197. Proses Pengisian Berlebih (Overcharge) Baterai Lead Acid

Ilustrasi D : Pada saat baterai terisi penuh sekitar 100 % dan proses pengisian berlanjut akibat tegangan sumber DC jauh lebih besar dari tegangan nominal/penuh baterai maka pada baterai akan terjadi pengisian berlebih (Overcharge) dimana pada kondisi ini baterai akan mengalami beberapa hal diantaranya : a. terjadi penurunan level elektrolit yang cukup besar disebabkan terjadinya penguapan pada larutan elektrolit baterai. b. Terjadinya peningkatan elektrolisa air menjadi H2 dan O2 dimana terjadi peningkatan gas yang menguap ke udara. c. Terjadi korosi pada pelat positif.

5.3

Jenis – Jenis Baterai Asam Timah (Lead Acid)

5.3.1 Tipe Baterai Berdasarkan Penggunaan A.

Baterai Shallow Cycle (baterai siklus dangkal) atau baterai starting

Baterai starting dibuat untuk memungkinkan penyalaan mesin/ starting engine. Baterai starting memiliki banyak pelat tipis untuk mendapatkan luas permukaan maksimum yang memungkinkan untuk melepaskan energi listrik yang besar dalam waktu singkat dimana dapat menghasilkan arus yang besar dalam waktu yang pendek. Baterai starting dirancang pengeluaran dangkal (Shallow cycle). Dalam aplikasinya baterai starting ini dikenal dengan istilah baterai SLI (starting, Lighting dan Ignition) mempunyai empat tujuan utama dalam penggunaannya di kendaraan mobil dan motor diantaranya:

 Untuk menghidupkan mesin


Phenomena

172

 Untuk menyaring atau menstabilkan daya DC berdenyut dari sistem kendaraan pengisian

 Untuk memberikan tambahan daya untuk penerangan, radio dua arah, sistem audio dan aksesoris lainnya saat beban mereka dikombinasikan melebihi kemampuan sistem pengisian kendaraan. Hal ini biasanya terjadi saat mesin kendaraan tidak beroperasi atau selama perjalanan singkat dengan beban daya berat seperti pada malam hari dalam cuaca buruk.

 Untuk menyediakan sumber daya ke sistem kelistrikan kendaraan ketika sistem pengisian tidak beroperasi. Adapun konstruksi konstruksi baterai baterai starter dapat dapat diperlihatkan diperlihatkan pada gambar dibawah dibawah ini:

Gambar 198. Konstruksi baterai starting (baterai mobil)

B.

Baterai Deep Cycle (Baterai siklus dalam)

Baterai Deep Cycle (siklus dalam) dibuat dengan pelat lebih tebal yang memungkinkan untuk melepaskan energi dalam selang waktu panjang (pengeluaran secara terus menerus). Baterai Deep Cycle menghasilkan arus yang berukuran sedang untuk waktu yang lama, Adapun konstruksi konstruksi dari baterai baterai deep cycle cycle diperlihatkan diperlihatkan pada gambar dibawah dibawah ini

Gambar 199. Konstruksi baterai deep cycle


Phenomena

173

Adapun perbandingan perbandingan baterai Shallow Cycle dan Deep Cycle ditinjau dari DOD terhadap terhadap umur baterai diperlihatkan pada gambar 200. Numbe r of Cycles Cycles to 20% Loss of Capacity 5000 4000 Deep Cycling Batteries 3000 2000 1000 Shallow Cycling Batteries 0

10

30

50

70

Depth of Discharge (%)

Gambar 200. Grafik perbandingan DOD VS number of cycles

5.3.2 Tipe Baterai Berdasarkan Desain Konstruksinya Konstruksinya A.

Baterai Tipe Flooded Flooded (Liquid (Liquid Vented) Vented)

Baterai flooded atau sel basah adalah tipe baterai yang paling umum digunakan saat ini. Baterai flooded ini menawarkan pilihan ukuran ukuran dan desain paling banyak dan dibuat untuk berbagai macam kegunaan. Dalam penggunaan, baterai flooded biasanya tidak disegel sehingga pemakai baterai dapat mengisi elektrolit setiap baterai mengalami penguapan saat pengisian muatan (charge) dan penggosongan muatan (discharge) baterai. Pengisian

elektrolit

baterai

dilakukan

melalui

lubang

bagian

atas

baterai.

Adapun konstruksi baterai baterai tipe flooded diperlihatkan diperlihatkan pada gambar dibawah dibawah ini :

Gambar 201. Konstruksi baterai Flooded


Phenomena

174

B.

Baterai Tipe VRLA (Valve Regulated Lead Acid)

Sealed atau VRLA (Variable Regulated Lead Acid), baterai tanpa katup pengisian, tetapi telah dilengkapi dengan Regulator untuk penguapan di dalam baterai, sehingga tidak ada terjadi penguapan yang keluar, karena baterai tertutup rapat. elektrolit dan elektroda tidak terbuka bebas ke atmosfer tetapi tertutup rapat (sealed) oleh kontainer baterai, gas yang berlebihan dikeluarkan melalui suatu sistem katub (valve). Gas normal yang terjadi akibat akibat overcharge

akan dikembalikan menjadi menjadi air oleh

rekombinator sehingga kehilangan elektrolit tidak perlu diganti dengan penambahan air. Tipe VRLA terdiri dari 2 macam (Absorbent Glass Mat) Mat)  AGM (Absorbent Baterai AGM merupakan langkah terbaru dalam evolusi baterai timah timbal (lead – acid).

baterai

AGM

menggunakan

fiber

glass

seperti

separatoruntuk

menahanelektrolitdi tempat. Ikatanfisik antaraseratpemisah (separator fiber), plate timah

dan

kontainer

membuat

baterai

AGM

mampu

menahan

tumpahan,

getarandandampak perlawanan baterai timbal-asam(lead – acid) yang tersediasaat ini. Baterai AGMmenggunakan hampir sama dengan tegangan set poit baterai flooded dengan demikiandapat digunakan sebagai pengganti untuk baterai flooded. Baterai

AGM

juga

disegel

sehingga

pengisian

muatan

(charge)harusdikendalikandengan hati-hatiagar tidak menyebabkan kerusakan dalam waktu singkat. Baterai AGM juga diproduksi untuk pemakaian untuk baterai otomotif yang dapat mendukung start – stop kendaraan dimana untuk beban tersebut menggunakan baterai tipe starting, sehingga baterai agm ini dapat juga berupa baterai starting. Baterai AGM bertahan lebih lama dalam aplikasi penggunaan ke beban dengan bebas perawatan (Free Maintenance). Adapun konstruksi baterai baterai tipe AGM diperlihatkan diperlihatkan pada gambar dibawah dibawah ini: ini:

Gambar 202. Konstruksi baterai AGM


Phenomena

175

 GEL - CELL Baterai tipe Sel Gel menggunakan penebalan alat (gel) seperti silika diasapi untuk mengantikan elektrolit. Dengan demikian, jika kontainer baterai retak atau tembus/bocor, sel akan terus berfungsi. baterai tipe sel Gel disegel dan tidak bisa diisi kembali dengan elektrolit, mengontrol laju muatan sangat penting agar baterai tidak rusak dalam waktu singkat. Selain itu, baterai selgelmenggunakan tegangan pengisian sedikit lebih rendah dari sel baterai flooded dan dengan demikian set-point untuk pengisian peralatan harus disesuaikan. Adapun konstruksi baterai baterai gel diperlihatkan diperlihatkan pada gambar 203

Gambar 203. Konstruksi baterai Gel

5.4

Parameter& Karakteristik Baterai dan Rangkaian Baterai

5.4.1 Parameter Dan Karakteristik Baterai Pada proses pengoperasian pengisian & pengosongan muatan dan pemeliharaan baterai ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam baterai diantaranya ampere hour, arus, tegangan, berat jenis, temperatur, kapasitas, dan energI . Berikut ini dijelaskan beberapa parameter tersebut: a. Ampere Hour Baterai Ampere –hour (Ah) pada baterai secara umum merupakan ukuran kapasitas penyimpanan energi listrik pada baterai. Nilai Ampere hour mengambarkan kemampuan pengosongan arus baterai dalam ampere selama periode waktu tertentu. Satu Ampere – hour (Ah) sama dengan mentransfer 1 ampere arus listrik baterai ke beban dengan dengan periode waktu selama

satu jam. jam. Sebagai contoh baterai baterai dengan

mengirimkan arus 5 ampere selama 20 jam dapat dikatakan mengirimkan 100 ampere

– hour.


Phenomena

176

b. Kapasitas Baterai Kapasitas baterai merupakan suatu ukuran kemampuan baterai untuk menyimpan atau mengeluarkan energi, biasanya dinyatakan dalam satuan Ampere-Hour. Kapasitas umumnya ditentukan dengan tingkat arus pengosongan tertentu dan selama waktu tertentu. Kapasitas baterai tergantung pada faktor desain baterai yang dipengaruhi oleh

 jumlah material aktif,  jumlah baterai, 

desain



dimensi fisik dari plate



berat jenis elektrolit.

Faktor operasional yang mempengaruhi kapasitas meliputi



Tingkat pengosongan



Kedalaman/laju pengosongan,



Pemotongan tegangan (cut off voltage),



Temperatur,



Umur dan



Sejarah cycle pengisian dan pengosongan pada baterai.

Kadang-kadang kapasitas penyimpanan energi baterai dinyatakan dalam kilowatt-jam (kWh), yang dapat didekati dengan mengalikan kapasitas dinilai dalam Ampere-hours oleh tegangan baterai nominal dan membagi dengan 1000. Misalnya,

nominal

baterai

12

volt,

100ampere-jam

baterai

memiliki

kapasitaspenyimpanan energi (12 x 100) / 1000 = 1,2 kilowatt-jam. Kapasitas baterai dalam ampere jam (Ah) dinyatakan sebagai berikut : C = I x t dimana

C

= Kapasitas baterai dalam ampere-jam (Ah)

I

= Besar arus yang mengalir (A)

t

= Waktu (jam)

Kapasitas nominal suatu baterai ditentukan sesuai dengan manufaktur yang membuatnya sebagai nilai standar suatu karakteristik baterai. Biasanya ditentukan dengan besar arus konstan saat discharge pada suhu 20 o C atau suhu ruangan. Saat


Phenomena

177

ini untuk menentukan nilai kapasitas suatu baterai ditentukan dengan durasi baterai saat discharge, yang dinyatakan dengan C 20, C10, or C5. Kapasitas total/ kapasitas nominal biasanya diberi tanda C , merupakan ukuran seberapa besar energi yang dapat disimpan dalam baterai. Penulisan kapasitas biasanya disertai dengan angka laju pengeluaran arusnya C 10, C20, C100

A mper-Hour dari suatu baterai diukur pada suatu laju pengeluaran yang akan menyebabkan baterai habis/kosong dalam 20 jam. (atau laju C/20, atau 0,05C ). Jika dilakukan pelepasan pada laju yang lebih besar dari C/20, akan didapatkan kapasitas tersedia lebih kecil dari C total. Selain laju C/20, kapasitas nominal juga kadang-kadang dinyatakan dalam C/10, C/100 dan lainnya.bergantung pada laju dimana batere akan digunakan. Batere C20 = 70 Ah, 12 V artinya : kapasitas batere 70 ah jika di discharge dengan arus 70/20 = 3,5 Amper selama 20 jam sampai mencapai tegangan 10,5 V (1,75/sel)

c. Tegangan baterai Tegangan dari suatu baterai tidak ditentukan oleh ukuran dan banyaknya plat dari baterai, tetapi ditentukan oleh material plat negatif dan positif serta cairan elektrolit dan sistem elektrokimia yang digunakan. Dibawah ini diperlihatkan besar tegangan nominal per-sel baterai berdasarkan jenisnya. -

-

Timah hitam



Lead Antimony dengan tegangan persel 2 Volt



Lead Calcium dengan tegangan persel 2 Volt

Alkaline



Nikel Cadmium dengan tegangan persel 1,2 Volt



Nikel Iron dengan tegangan persel 1,2 Volt

Harga tegangan per sel baterai timah hitam keadaan rangkaian terbuka ( open circuit ) adalah Vdc =

B.D + 0,84.

dimana : V dc = Tegangan sel baterai ( Volt ) BD = Berat jenis cairan elektrolit ( gr/cm 3 )


Phenomena

178

d. Temperatur Baterai Pertimbangkan batasan temperatur di dalam suatu elektrolit, dimana untuk sel elektrokimia seperti baterai, temperatur memiliki efek penting padakinerja baterai dan umur baterai (life time). Umumnya, untuk suhu meningkat 10 o C maka laju reaksi elektrokimia menjadi ganda atau 2 kali dari semula, dalam kondisi ini akan menyebabkan penurunan umur (life time) baterai setengahnya setiap kenaikan 10 o C suhu operasi rata-rata. Suhu operasi yang lebih tinggi mempercepat korosi, menghasilkan peningkatan gas dan kehilangan elektrolit yang lebih banyak. Suhu operasi yang rendah umumnya menambah umur ( life time) baterai.

Gambar 204

menunjukkan pengaruh temperatur terhadap umur (life time) baterai.

Gambar 204. Temperatur VS Umur (life time) baterai

Namun, kapasitas berkurang secara signifikan pada suhu yang lebih rendah,terutama untuk baterai timah-asam. Ketika baterai diletak dalam ruangan tertutup maka harus dipertimbangkan dalam hal pengaturan suhu ruangan sehingga diperlukan sistem pendingin dan ventilasi dalam ruangan baterai.

Penggunaan sistem baterai harus

menjadi perhatian khusus ketika mencapai temperatur yang diijinkan. Gambar 205 menunjukkan pengaruh suhu terhada kapasitas baterai timah asam.


Phenomena

179

Gambar 205. Temperatur VS Kapasitas baterai timah asam

e. Berat Jenis Baterai

 Baterai asam-timah menggunakan cairan elektrolit asam sulfat (sulphuric acid/H2SO4). Periksa berat jenis (BD) elektrolit dengan hydrometer, usahakan berat jenis elektrolit 1,235 gr/cm 3 pada temperatur 15

C. Sehingga plat-plat

negatif dan positif terendam dalam elektrolit pada batas level yang telah ditentukan. Untuk kenaikan temperatur setiap 1,5 C diatas temperatur maka ditambahkan

15C,

0,001 terhadap pembacaan. Untuk turunnya temperatur

setiap 1,5C dibawah temperatur 15 C, maka dikurangi 0,001 terhadap pembacaan. Pembacaan

hydrometer pada pengukuran berat jenis elektrolit baterai timah

hitam adalah 1,235 gr/cm 3 pada temperatur 27 C. Maka harga yang sebenarnya adalah : 1,235 +

(27 − 15) 0,001 1,5

� � = 1,243 � /� 3

 Baterai alkali menggunakan cairan elektrolit potasium hydroxide (KOH), periksa berat jenis elektrolit dengan hydrometer. Usahakan berat jenis (BD) 1,180 gr/cm3.Berat jenis (BD) tertinggi yang diperbolehkan 1,180

 0,01

 0,020 gr/cm3 . Isi

setiap sel baterai dengan cairan elektrolit berupa larutan alkali (KOH) dengan berat jenis 1,180  0,020 gr/cm3 pada temperatur 15C. Sehingga plat-plat negatif dan positif terendam dalam elektrolit pada batas level yang telah ditentukan. Untuk menaikan temperatur setiap 2 C diatas temperatur 15C, maka ditambah Simple Inspiring Performing

Phenomena

180

0,001 terhadap pembacaan. Untuk penurunan temperatur setiap 2 C dibawah temperatur 15C, maka dikurangi 0,001 terhadap pembacaan. Pembacaan

hydrometer pada pengukuran berat jenis elektrolit baterai alkali

adalah 1,18 gr/cm 3 pada temperatur 27 C. Maka harga yang sebenarnya adalah : 1,18 + (27-15) x 0,001/2 = 1,186 gr/cm 3

f.

Tingkat keadaan muatan /State Of Charge (SOC)

 Tingkat keadaan muatan (State of charge), adalah ukuran dari beberapa banyak total kapasitas yang masih tersedia



SOC dinyatakan sebagai suatu prosentase dari kapasitas nominal

Contoh Baterai 100 AH 85 % SOC = masih tersedia 85 AH dalam baterai 25 % SOC = masih tersedia 25 AH dalam baterai Pada gambar 206 diperlihat grafik pengisian baterai (SOC)

Gambar 206. Grafik pengisian baterai lead acid

g. Tingkat pemakaian/ Depth of Discharge (DOD) DOD adalah ukuran dari berapa banyak total kapasitas baterai yang telah diambil dari baterai dalam satu siklus pengeluaran daya, yang diekspresikan sebagai persentase. Umur baterai bergantung pada seberapa dalam pengeluaran daya itu terjadi dalam masing-masing siklus. Pabrik sebaiknya menyediakan grafik yang mengkaitkan


Phenomena

181

jumlah siklus penyimpanan-pengeluaran daya dengan umur baterai. Sebagai kadiah umum anda sebaiknya menghindari pengeluaran daya baterai siklus yang dalam yang melebihi 50%. Baterai mobil sebaiknya hanya dikeluarkan dayanya sebanyak sekecilkecilnya 30%. Berikut ini diberi ilustrasi contoh baterai 200 Ah untuk : 30 % DOD = 0,30 x 200 = 60 AH telah digunakan 80 % DOD = 0,80 x 200 = 160 AH telah digunakan DOD maksimum yang dianjurkan dianjurkan berkisar antara 50 - 80 %. Pada gambar 207 diperlihat grafik penggosongan baterai (DOD) dan gambar 208 diperlihatkan pengaruh DOD terhadap umur peralatan (life time)

Gambar 207. Grafik penggosongan baterai

Gambar 208. Depth of Discharge (DOD) VS umur baterai


Phenomena

182

5.4.2 Rangkaian Baterai Pada umumnya peralatan-peralatan yang menggunakan sumber arus searah pada Pusat Pembangkit Listrik dengan tegangan dan kapasitas daya tertentu. Untuk kebutuhan besaran tegangan maupun kapasitasnya, maka diperlukan merangkai beberapa baterai, agar tegangan keluaran baterai maupun kapasitas daya sesuai dengan tegangan kerja peralatan serta kapasitas daya yang dibutuhkan. a. Hubungan Seri Berhubung terbatasnya tegangan per sel baterai yaitu jenis baterai asam 2,0 Volt dan jenis baterai basa 1,2 Volt maka untuk mendapat tegangan kerja dari peralatan yang pada umumnya di Pembangkit Tenaga Listrik adalah 110 Vdc atau 220 Vdc , maka perlu merangkai beberapa baterai secara hubungan seri, sehingga didapat tegangan keluaran baterai sesuai dengan tegangan kerja peralatan. Untuk lebih jelasnya

diperlihatkan

gambar berikut hubungan seri beberapa dari baterai lihat rangkaian dibawah ini.

Gambar 209. Rangkaian hubungan seri baterai

apabila menggunakan baterai asam dengan tegangan 2,0 Volt maka untuk mendapatkan tegangan keluaran baterai sebesar 110 V dc, perlu menghubungkan secara seri sebanyak 55 sel baterai dan bila tegangan keluaran yang diinginkan sebesar 220 V dc, maka baterai diseri sebanyak 110 sel. Pada hubungan seri dari baterai, dimana V dc sama dengan penjumlahan tegangan dari masing sel baterai sedangkan kapasitas baterai dalam amperehour adalah tetap. b. Hubungan Paralel Pada umumnya menghubungkan paralel setiap sel baterai jarang ditemukan pada Pusat Pembangkit Listrik, tetapi menghubungkan paralel yang terdiri dari beberapa group baterai (satu group merupakan hubungan seri dari beberapa baterai ) banyak dilakukan dengan tujuan sebagai berikut.

 Untuk menaikan kapasitas baterai yaitu ampere jam . Simple Inspiring Performing

Phenomena

183

 Untuk keandalan pasok arus searah yang disuplai dari baterai, sehingga apabila salah satu mengalami gangguan, group yang lain akan berfungsi sebagai back up atau beberapa group baterai secara bersama memasok ke beban.

 Meningkatnya kebutuhan beban DC. Untuk lebih jelasnya diperlihatkan gambar dibawah ini hubungan parallel beberapa dari baterai lihat rangkaian dibawah

Gambar 210. Rangkaian hubungan paralel baterai

5.5

Pemeliharaan Baterai

5.5.1 Pemeliharaan Saat Operasi 1.

Jadwal

: Harian

Dilaksanakan dalam keadaan

: Operasi

Table 11. Tabel Pemeliharaan Harian Baterai

No.

Peralatan/Komponen

Cara Pelakasanaan

yang diperiksa

1

2

3

1.

Sel baterai

1.1. Periksa semua sel dan bagian baterai apakah dalam keadaan bersih dan kering. Bersihkan jika terdapat kotoran dan bendabenda asing


Phenomena

184

1.2. Periksa lubang penguapan pada tiap tutup sel apakah tertutup/tersumbat. 2.

Rangkaian sirkuit arus

2.1. Periksa rangkaian sirkuit arus searah (DC

circuit) misalnya sekering DC atau otomatis DC

searah (DC circuit)

apakah ada yang putus, dan ganti jika ada yang putus. 2.2. Catat tegangan, arus pengisian dan arus

beban sistem baterai.

3.

Ruangan baterai

3.1. Periksa suhu ruangan baterai apakah dalam

keadaan normal. 3.2. Periksa ventilasi ruangan baterai apakah udara

dalam ruangan baterai bersirkulasi dengan udara luar

2.

Jadwal

: Mingguan

Dilaksanakan dalam keadaan : Operasi Table 12. Pemeliharaan Mingguan Baterai

No

Peralatan/Komponen

.

yang diperiksa

1

2

1.

Sel baterai

Cara pelaksanaan

3

1.1. Periksa dan lakukan pengukuran tegangan

setiap sel pada beberapa sel yang telah dipilih terlebih

dahulu

dan

pemeliharaan/buku

catat

pada

khusus

kartu

mengenai

baterai.Bandingkan hasil pengukuran tersebut dengan

pencatatan

minggu

lalu,

apakah

terdapat penyimpangan yang besar.


Phenomena

185

1.2. Periksa dan lakukan pengukuran berat jenis elektrolit pada sel yang tersebut dalam poin 1.1

dan

catat

hasil

pengukuran.

Untuk

mendapatkan hasil pengukuran yang lebih teliti, lakukan pengukuran tersebut pada saat 15 menit setelah selesai pengisian muatan (charge) dan cairan elektrolit dalam keadaan tidak mengeluarkan gas. Jangan lakukan pengukuran

berat

jenis

elektrolit

setelah

penambahan air suling.

2.

Batas permukaan

tinggi 2.1. Periksa tinggi permukaan cairan dari elektrolit yang telah ditentukan oleh buku petunjuk dari cairan pabrik. Jika tinggi permukaan cairan elektrolit

elektrolit

kurang, supaya ditambah air suling (pure distilat water yang tidak mengandung elemen As, Mn dan Cu). Dalam hal ini tidak ada petunjuk dari pabrik, maka aturlah ketinggian permukaan

cairan

elektrolit

pada

garis

pertengahan antara ujung atas plat sel dan tutup /cover sel.

2.2.Periksa ketinggian permukaan cairan elektrolit pada saat baterai sebelum diisi (charge) dan tambah dengan air suling (air distilate) bila mana perlu.


Phenomena

186

3. Jadwal

: Bulanan

Dilaksanakan dalam keadaan

: Operasi

Table 13. Pemeliharaan Bulanan Baterai

No.

Peralatan Komponen yang diperiksa

Cara Pelaksanaan

1

2

3

1.

Sel baterai

1.1. Periksa dan lakukan pengukuran tegangan

setiap sel baterai (individual) dan catat pengukuran tersebut. Untuk memdapatkan hasil pengukuran yang teliti, lakukanlah pengukuran

tersebut

pada

saat

baterai

dalam keadaan diisi (discharge). 1.2. Periksa dan lakukan pengukuran berat jenis

elektrolit pada setiap sel baterai.

Untuk

mendapatkan hasil pengukuran yang lebih teliti, lakukan pengukuran tersebut pada saat 15 menit setelah selesai pengisian (charge) dan cairan elektrolit dalam keadaan tidak mengeluarkan gas. 1.3 Bersihkan

klem-klem

baterai,

bila

perlu

dipoles/dilapisi dengan vaseline netral. 1.4 Lapisi pada permukaan tutup atas sel dengan minyak

anti

karat

(grease)

yang

telah

ditentukan oleh pabrik atau vaseline netral yang tidak mengandung asam (kecuali tutup atas sel baterai yang sudah dilapisi oleh plastik atau sudah dicat)


Phenomena

187

5.5.2 Perawatan Baterai Saat Tidak Beroperasi Table 14. Pemeliharaan Periodik Baterai

Peralatan/Komponen

Cara Pelaksanaan

No.

yang diperiksa

1

2

3

1.

Ruangan baterai dan

1.1. Periksa

ventilasi

ruangan

baterai

apakah

timbul

korosi/karat. Bersihkan dan cat kembali bila perlu. 1.2. Periksa

sistem

ventilasi,

kipas

dan

sebagainya apakah bekerja dalam keadaan baik. 2

Isolator dudukan rak dan rak baterai

2.1.Periksa pondasi beton, isolator dudukan rak kayu, apakah dalam kondisi baik. Bila terdapat isolator retak/pecah agar diganti dan bila perlu dicat kembali rak kayu tersebut dengan cat tahan asam 2.2. Bersihkan dinding-dinding luar sel baterai bila perlu dicat.

3

Peralatan kerja khusus untuk baterai

3.1. Periksa dan siapkan peralatan kerja khusus untuk baterai, bila perlu dilakukan kalibrasi terhadap

alat-alat

:

Hydrometer,

Thermometer dan Cell Voltmeter Tester. 4

Klem sambungan baterai

4.1.Periksa

baut

klem

sambungan

baterai

apakah ada yang kendor atau berkarat. Bila perlu kencangkan baut klem tersebut secara hati-hati dengan menggunakan kunci sekrup /spanner dan cegah jangan sampai terjadi hubung singkat. Bersihkan noda-noda karat yang menempel pada klem sambungan


Phenomena

188

MATA_PELAJARAN_1.docx

Recommend Documents