BAB V SISTEM EKSITASI GENERATOR SINKRON Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya. Biasanya sebuah generator sinkron memiliki kumparan jangkar yang terletak pada stator dengan hubungan bintang. Sedangkan kumparan medan terletak pada rotor generator. Bila rotor berputar akan menimbulkan perpotongan antara kumparan medan dengan stator winding sehingga menghasilkan Gaya Gerak Listrik (GGL). Sistem ini merupakan sistem yang vital pada proses pembangkitan listrik dan pada perkembangannya, sistem Eksitasi pada generator listrik ini dapat dibedakan menjadi 2 macam, yaitu: 1. Sistem Eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation) 2. Sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation). 1.1 Sistem Eksitasi dengan Sikat (brush excitation) Pada sistem eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listriknya berasal dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik (AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier.Jika menggunakan sumber listrik listrik yang berasal dari generator AC atau menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG) medan magnetnya adalah magnet permanent. Dalam lemari penyearah, tegangan listrik arus bolak balik diubah atau disearahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol kumparan medan eksiter utama (main exciter). Untuk mengalirkan arus Eksitasi dari main exciter ke rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang, demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter.
Gambar 1. Sistem Eksitasi dengan sikat (Brush Excitation).
5.1.1 Prinsip Kerja pada Sistem Eksitasi dengan Sikat (Brush Excitation) Generator penguat yang pertama, adalah generator arus searah hubungan shunt yang menghasilkan arus penguat bagi generator penguat kedua. Generator penguat (exciter) untuk generator sinkron merupakan generator utama yang diambil dayanya.Pengaturan tegangan pada generator utama dilakukan dengan mengatur besarnya arus Eksitasi (arus penguatan) dengan cara mengatur potensiometer atau tahanan asut. Potensiometer atau tahanan asut mengatur arus penguat generator pertama dan generator penguat kedua menghasilkan arus penguat generator utama. Dengan cara ini arus penguat yang diatur tidak terlalu besar nilainya (dibandingkan dengan arus generator penguat kedua) sehingga kerugian daya pada potensiometer tidak terlalu besar. PMT arus penguat generator utama dilengkapi tahanan yang menampung energi medan magnet generator utama karena jika dilakukan pemutusan arus penguat generator utama harus dibuang ke dalam tahanan.Sekarang banyak generator arus bolak-balik yang dilengkapi penyearah untuk menghasilkan arus searah yang dapat digunakan bagi penguatan generator utama sehingga penyaluran arus searah bagi penguatan generator utama, oleh generator penguat kedua tidak memerlukan cincin geser karena. penyearah ikut berputar bersama poros generator. Cincin geser digunakan untuk menyalurkan arus dari generator penguat pertama ke medan penguat generator penguat kedua. Nilai arus penguatan kecil sehingga penggunaan cincin geser tidak menimbulkan masalah. Pengaturan besarnya arus penguatan generator utama dilakukan dengan pengatur tegangan otomatis supaya nilai tegangan klem generator konstan. Pengaturan tegangan otomatis pada awalnya berdasarkan prinsip mekanis, tetapi sekarang sudah menjadi elektronik.Perkembangan sistem eksitasi pada generator sinkron dengan sistem eksitasi tanpa sikat, karena sikat dapat menimbulkan loncatan api pada putaran tinggi. Untuk menghilangkan sikat digunakan dioda berputar yang dipasang pada jangkar. Gambar 2 menunjukkan sistem eksitasi tanpa sikat. 5.2Sistem Eksitasi Tanpa Sikat (brushless excitation) Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus eksitasi ke rotor generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan pada sikat arang relatif kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat arang, digunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation). Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation), antara lain adalah: a) Energi yang diperlukan untuk Eksitasi diperoleh dari poros utama (main shaft), sehingga keandalannya tinggi
b) Biaya perawatan berkurang karena pada sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring. c) Pada sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi kerusakan isolasi karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat arang. d) Mengurangi kerusakan (trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab semua peralatan ditempatkan pada ruang tertutup. e) Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga meningkatkan keandalan operasi dapat berlangsung terus pada waktu yang lama. f) Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan bus exciter atau kabel tidak diperlukan lagi. g) Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel tidak memerlukan pondasi.
Gambar 2. Sistem Excitacy tanpa sikat (Brushless Escitacy)
Keterangan gambar: ME
: Main Exciter
MG
: Main Generator
PE
: Pilot Exciter
AVR
: Automatic Voltage Regulator
V
: Tegangan Generator
AC
: Alternating Current (arus bolak balik)
DC
: Direct Current (arus searah)
Gambar 3. Sistem Eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation)
5.2.1 Prinsip Kerja Sistem Eksitasi tanpa Sikat (Brushless Excitation)
Gambar 4. Tipikal Sistem Eksiter tanpa Sikat
Generator penguat pertama disebut pilot exciter dan generator penguat kedua disebut main exciter (penguat utama). Main exciter adalah generator arus bolak-balik dengan kutub pada statornya. Rotor menghasilkan arus bolak-balik disearahkan dengan dioda yang berputar pada poros main exciter (satu poros dengan generator utama). Arus searah yang dihasilkan oleh dioda berputar menjadi arus penguat generator utama. Pilot exciter pada generator arus bolak-balik dengan rotor berupa kutub magnet permanen yang berputar menginduksi pada lilitan stator. Tegangan bolak-balik disearahkan oleh penyearah dioda dan menghasilkan arus searah yang dialirkan ke kutub-kutub magnet y ang ada pada stator main exciter. Besar arus searah yang mengalir ke kutub main exciter diatur oleh pengatur tegangan otomatis (automatic voltage regulator/AVR). Besarnya arus berpengaruh pada besarnya arus yang dihasilkan main exciter, maka besarnya arus main exciter juga mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh generator utama. Pada sistem Eksitasi tanpa sikat, permasalahan timbul jika terjadi hubung singkat atau gangguan hubung tanah di rotor dan jika ada sekering lebur dari dioda berputar yang putus, hal ini harus dapat dideteksi. Gangguan pada rotor yang berputar dapat menimbulkan distorsi medan magnet pada generator utama dan dapat menimbulkan vibrasi (getaran) berlebihan pada unit pembangkit. 1.3 AVR (Automatic Voltage Regulator) AVR (Automatic Voltage Regulator) adalah sebuah sistem kelistrikan yang berfungsi untuk menjaga agar tegangan generator tetap konstan dengan kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang
selalu berubah-ubah,dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator. Sistem AVR pada pembangkit sangat penting peranannya, dikarenakan sebuah generator tidak akan menghasilkan listrik jika didalamnya sistem tidak terdapat AVR. 1.4 Prinsip Kerja AVR Prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter. Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator, maka AVR akan memperbesar arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output generator akan dapat distabilkan oleh AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untukpembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis. Disamping sebagai pengatur tegangan rangkaian AVR juga dilengkapi alat pengontrol untuk menjamin keandalan dari generator. AVR dihubungkan dengan belitan stator generator utama melalui isolating transformer yang berfungsi mengontrol daya yang disuplai pada stator eksiter dan sampai pada belitan rotor generator utama untuk menjaga tegangan keluaran pada batas yang ditetapkan, jadi tugas utama AVR ini adalah : a. Untuk mengatur keluaran tegangan generator b. Untuk mengatur arus eksitasi c. Untuk mengatur volt/Hertz 1.5 Bagian-Bagian Automatic Voltage Regulator
Gambar 5. Skematik AVR
1.5.1
Potensial Divider and Rectifier Potensial Divider and Rectifier berfungsi menerima sinyal tegangan ackeluaran generator utama sedangkan Rectifier berfungsi mengubah sinyaltegangan ac menjadi
1.5.2
tegangan dc untukdikuatkan pada Amplifier. 3 Phase Rectifier
3 Phase Rectifier berfungsi memonitor arus keluaran generator utama, yang merupakan penyearah tiga fasa yang mengubah sinyal ac menjadi sinyal dc. 1.5.3 Amplifier Amplifier berfungsi membandingkan tegangan keluaran generator utama dengan tegangan referensi dan selisihnya (error) akan dikuatkan ke error detector untukmemberikan sinyal control untuk power control device. Ramp generator dan level detector berfungsi mengontrol periodekonduksi dari power control device untukmenjaga tegangan nominal. Aliran arus dari D11, D12, dan R34 adalah rangkaian penguat utama atau penguatan tingkat terendah. Keluaran dari comparative amplifier dan keluaran dari over excitation limiter (OEL) adalah tegangan negative dan dari tegangan negative kemudian pada masukan OP201. Ketika over excitation limiter (OEL) atau minimum excitation limiter (MEL) tidak operasi maka keluaran dari comparative amplifier dikuatkan oleh OP201 dan OP301 masukan dari OP301 dijumlahkan dengan keluaran dari dumping circuit. OP401 adalah Amplifier untuk balance meter hubungan antara tegangan masuk dan tegangan keluaran dari OP201 dan OP401 diperlihatkan pada bagan berikut.
Gambar 4. Rangkaian Amplifier 5.5.4
Power Supply Power supply berfungsi untuk menyediakan daya untuk rangkaian AVR.
5.5.5
Circuit Breaker Circuit Breaker berfungsi memutus daya pada AVR dan generator eksiter jika terjadi gangguan tegangan lebih atau gangguan eksitasi lebih.
5.5.6
Over Excitation Detector Over Excitation Detector berfungsi memonitor tegangan eksitasi yang disuplai pada eksiter. Tegangan eksitasi maksimum dibatasi atau disetting pada level 70 Volt +/- 5%. Jika terjadi kenaikan tegangan eksitasi melebihi nilai settingan maka over excitation detector memberikan sinyal untuk membuka excitation circuit breaker.
5.5.7
Over Voltage Detector
Over Voltage Detector berfungssi memonitor tegangan pada terminal keluaran generator utama dan memberikan sinyal untuk membuka circuit breaker (excitation ciercuit breaker) untuk memutuskan daya pada eksiter dan AVR pada saat terjaditegangan lebih pada generator utama. Alat proteksi tegangan lebih disetting pada level 437 +/- 5%. Terminal AVR dihubungkan pada kumparan stator generator utama. 5.6
Sistem Proteksi Proses Eksitasi
5.6.1
Proteksi Terhadap Tegangan Lebih Proteksi
tegangan
lebih
mencegahkerusakan
pad
diode
penyearah
yangdiakibatkanoleh tegangan lebih, sepertisurja hubung (switching surge) yang berasaldari luar generator. Peralatan proteksi yangdigunakan untuk mencegah keadaantersebut adalah Surge Suppressors.Surge Suppressors dihubungkandengan tiap-tiap elemen diode, ketika surjategangan tinggi datang, maka arus listrikbertambah besar ratusa kali dalam sesaatsehingga energy surja tersebut harusdisalurkan ke tanah.Surge Suppressorsberada dalam keadaan membuang energypada saat terjaditegangan tinggi. RangkaianSurge Suppressors dapat dilihat padagambar berikut:
Gambar 6. Rangkaian Surge Suppressors
5.6.2
Proteksi Terhadap Arus Lebih Proteksi arus lebih mencegah elemendiode break down, karena gangguan
hubungsingkat pada medan atau arus surja yangbesar. Peralatan proteksi yang digunakan antara lain fuse berkecepatan tinggi, sepertipada gambar berikut.
Gambar 7. Rangkaian fuse pada diode penyearah
5.6.3
Field Breaker
Field Breaker ini digunakan sebagaipemutus medan eksiter. Filed Breaker inijuga dilengkapi dengan discharging contactyang terhubung dengan field dischargingresistor. Field discharging resistorberfungsi untuk melindungi rotor dari arusmedan balik pada saat terjadi kerusakanpada sistem eksitasi atau pada saatgenerator berhenti beroperasi. Jika terjadigangguan pada sistem eksitasi, maka fieldbreaker akan membuka dan secara otomatisdischarging contact akan menutup,sehingga arus medan yang masih tersimpanpada rotor dapat segera diperkecil denganmengalirkan ke field discharging resistor.Rangkaian field breaker dapat dilhat pada gambar berikut:
Gambar 8. Rangkaian Field Breaker
5.6.4
Excitation Loss Module Kehilangan eksitasi dalam kondisiparallel dapat menyebabkan gangguan seperti
hilangnya sinkronisasi sistem.Excitation Loss Module berfungsi memonitor keluaran AVR dan memberikansinyal kepada rele jika terjadi gangguanberupa tanda alarm. Alat ini bekerjaberdasarkan karakteristik arus (rectifierripple) pada belitan medan eksiter.
Gambar 9. Skematik Extitation Loss Module
5.7 Sistem Eksitasi pada PLTG GE 1 PLTG GE 1 menggunakan sistem eksitasi tanpa sikat EX2000R. EX2000R merupakan mikroprosesor berbasis converter AC ke DC yang menghasilkan output DC yang dikontrol oleh MCC (Motor Control Center). Daya untuk exciter biasanya diambil dari Power Potential Transformer (PPT) yang terhubung langsung ke terminal generator.Exciter EX2000 fleksibel dan dengan perubahan hardware dan software, exciter dasar dan inti perlindungan dapat dikonfigurasi sebagai senyawa, ALTERREXTM, GENERREXTM, jembatan ganda, cadangan panas, atau master-master sistem. Dalam sistem sumber potensial, output dari PPT terhubung ke input dari jembatan 3-fasa gelombang penuh thyristor pembalik. Jembatan pembalik memberikan tegangan baik tegangan positif dan negatif untuk kinerja optimal. Negatif memaksa memberikan respon cepat
untuk
penolakan
beban
dan
de-eksitasi.
Eksitasi kontrol hasil dari fase mengendalikan output dari rangkaian jembatan SCR. Sinyal pemecatan SCR dihasilkan oleh regulator digital dalam inti kontrol. Sistem kontrol tersebut berisi regulator tegangan terminal generatordan regulator tegangan penguat generatorIni dikenal sebagai pengatur otomatis atau regulator AC dan pengatur manual atau regulator DC. Ketika beroperasi di bawah kontrol dari regulator DC, tegangan konstan penguatan generator dipertahankan, terlepas dari kondisi operasi pada terminal generator. Ketika beroperasi di bawah kontrol regulator AC, tegangan konstanterminalgenerator dipertahankan dalam berbagai kondisi beban. Jika generator terhubung ke sistem besar melalui impedansi rendah, generator tidak dapat mengubahsistemtegangan. Pada Regulator AC, variasi yang sangat kecil dalam tegangan terminal, kemudian mengontrol Volt AmpereReaktif (VAR).Jika generator terisolasi dari sistem, regulator AC mengontrol tegangan terminal dan VAR ditentukan oleh beban. Kebanyakan sistem beroperasi dengan cara yang ada di antara dua ekstrem. Artinya, baik VAR dan Volt dikendalikan oleh regulator AC. Operasi normal adalah dengan transfer otomatis ke regulator DC dengan kehilangan umpan balik transformator tegangan melaluiPT Failure Detection (PTFD). Blok perangkat lunak yang menunjukkan kontrol exciter dan fungsi perlindungan untuk pekerjaan tertentu disimpan dalam database perangkat lunak exciter disimpan dalam kontrol exciter dan inti perlindungan.Perangkat lunak ini diakses melalui link komunikasi RS-232C dengan menggunakan SuperTool 2000 (ST2000) program. Toolkit ST2000 adalah mikroprosesor berbasis software yang digunakan untuk configurated dan memelihara
EX2000 GE exiters. Ini terdiri dari kumpulan program (tools) yang berjalan dibawah perintah shell. Aplikasi perangkat lunak exciter terdiri dari modul (blok bangunan) dikombinasikan untuk menciptakan sistem yang diperlukan secara fungsional. Blok definisi dan parameter konfigurasi disimpan dalam Read Only Memory(ROM), sedangkan variabel yang disimpan dalam Random Access Memory (RAM). Mikrokontroler mengeksekusi kode. Perangkat keras exciter EX2000 terdiri dari kontrol sebuah konverter daya. Controller mencakup papan jaringan kabel tercetak berisi mikroprosesor diprogram dengan sirkuit pendamping, termasuk Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM), dimanapola sistem exciter blockware disimpan.Konverter daya exciter terdiri dari jembatan rectifier, resistor/kapasitor penyaring konfigurasi dan sirkuit kontrol. Komponen dan bingkai (jembatan) ukurannya bervariasi, tergantung sistem eksitasi yang berbeda dan untuk output daya yang diperlukan. Bagian utama exciter EX2000 terdiri dari :
Power Potential Transformer (PPT) Transformator ini menyediakan listrik ke jembatanSCR exciter. Hal ini dirancang untuk memasok kebutuhan eksitasi terus menerus dan tetap mampu beroperasi pada eksitasi
langit-langit untuk waktu yang singkat. Line to line filters Jaringan penyaring listrik disediakan di seluruh 2-fase jalur input ke jembatan penyearah. Filter meminimalkan tegangan spike yang dihasilkan dari peluruhan tiba-tiba dan perubahan tegangan mendadak di induktansi sirkuit dan kapasitansi hubungan thyristor. Filter saluran umumnya dikirim secara terpisah untuk dipasang di atas lapangan lineup
exciter. Blower Motor Transformer SebuahBlower motor transformer yang diberikan untuk pendinginan udara eksiter. Blower motor transformer adalah isolasi 3-phasa dan transformator daya dengan gulungan primer yang terhubung ke sumber daya masukan jembatan AC. Transformator memiliki dua gulungan sekunder, satu untuk daya 3-fasa AC untuk blower jembatan dan
satu untuk daya satu fasa untuk kontrol suplay daya. Core Modules Core module sudah terpasang di panel yang sama sebagai jembatan thyristor dan dapat diakses sementara exciter beroperasi. Core terdiri dari papan sirkuit yang saling
berhubungan dengan kabel pita, yang menjaga kabel untuk minimum. Papan sirkuit terdiri dari: - DC Power and Feedback (DCFB) - LAN/Communication Card (SLCC) - LAN Terminal Board (LTB) - Microprocessor Aplikation Board (TCBB) - Power Connect Board (PCCA) - I/O Terminal Board (NTB/3TB) - Drive Control Card (SDCC) - Relay Terminal Board (RTBA) - ARCNET Link (ACNA) Power supplies Control Power Supply (CPS) dan Protection Power Supply (PPS) adalah pasokan massal sumber listrik ganda. Fungsi mereka adalah untuk memasok tegangan DC yang diperlukan untuk control core, protection module, local IOS, dc-excitation module, field
flashing module controls, dan field contactor. Field Ground Detector Fungsi dari Field ground detectoradalah untuk mendeteksi jalur tanah dari komponen
exciter yang terhubung ke gulungan bidang utama Shaft Voltage Suppressor Tegangan poros, jika tidak dikendalikan secara efektif, dapat merusak baik poros maupun bantalan. Sistem eksitasi yang menghasilkan tegangan dc dari ac melalui proses rektifikasi solid state, menghasilkan tegangan riplle dan spike pada output exciter. Dikarenakanhal tersebut, ini tegangan kapasitif digabungkan dari gulungan medan pada tubuh rotor. Ini menciptakan tegangan pada poros relatif terhadap ground.Shaft Voltage Suppressor (SVS)adalah melakukan filter terhadap komponen frekuensi tinggi dari
tegangan yang diindukskani ke tanah. De-excitation Modules Selama shutdown salah, energi yang tersimpan di bidang pembangkit harus dihilangkan. Dalam
shutdown
"normal",
menghentikan
dilakukan
oleh
operator.Jembatan
ditembakkan pada batas waktu yang cukup singkat dan SCR dalam modul de-eksitasi ditekan untuk menyediakan jalan konduksi melalui resistor pemutus penguatan atau induktor untukarus penguatan agar menghilangkan energi penguatan.
Intelligent Operator Station (IOS) IOS adalah sebuah antarmuka operator untuk sistem eksitasi. Perintah start/stop, perintah regulator transfer, dan perintah pengatur aktivasi diterbitkan oleh IOS.
Yang termasuk bagian operasional yaitu:
Protection module Protection moduleadalah modul opsional yang dipasang di panel tambahan dan secara fisik mirip dengan core control. Namun, Protection moduletidak bertanggung jawab atas penembakan jembatan. Oleh karena itu tidak berisi PCCA atau thrystor jembatan, karena itu juga maka protection moduletidak membutuhkan kipas pendingin.Protection module menerima masukan tegangan dan arus yang sama seperticore control. Tujuannya adalah untuk memulai respon protektif apabila kondisi sistem melampaui batas-batas peraturan
yang ditentukan dari core control. Manual ac disconnect
