10. Teknologi Pengoperasian Generator

KURSUS PRAJABATAN S1 / D3 10. TEKNOLOGI PENGOPERASIAN GENERATOR

PT PLN ( Persero ) UNIT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SURALAYA 2007

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________ 1. GENERATOR 3 PHASA 1.1. Prinsip Kerja Generator atau altenator PLTU menerapkan prinsip pembangkitan listrik berdasarkan induksi . Unsur utama untuk membangkitkan listrik secara induksi adalah : „ Medan magnit „ Penghantar (kumparan) „ Kecepatan relatif 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 (tegangan). Besarnya tegangan yang diinduksikan pada kumparan tergantung pada : „ Kuat medan magnit „ panjang penghantar dalam kumparan „ kecepatan putar (gerakan) Oleh karena itu formula dari pembangkitan tegangan secara induksi adalah : dØ E = - N ——— dt

Gambar 1. Pembangkitan GGL

dimana : N = banyaknya lilitan ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 1

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________

—

dØ = perubahan medan magnit dalam web/det. dt

Tanda ( - ) minus menunjukan bahwa tegangan yang dibangkitkan berlawanan arah dengan yang membangkitkan. Didalam alternator PLTU, kuat medan magnit (fluks) ditentukan oleh besarnya arus eksitasi, sedang banyak lilitan dari kumparan adalah tetap (konstan) sesuai yang terpasang di stator alternator. Putaran alternator juga dijaga konstan pada 3000 rpm. Jadi variabel dari harga tegangan hanyalah kuat medan magnit yang dalam hal ini sesuai dengan besarnya arus eksitasi. Genertor yang ditunjukan dalam gambar 1, terdiri dari hanya satu kumparan dan disebut alternator satu fasa. Keluaran (out-put) daya dari alternator satu fasa terbatas hanya relatif kecil.

Gambar 2. Bentuk Tegangan AC 1 fasa Untuk memperoleh daya listrik yang besar generator dibuat sistem tiga fasa. Generator tiga fasa mempunyai tiga kumparan yang sama pada statornya dan penempatan dari tiap kumparan berjarak 120° satu sama lain , lihat gambar 3. Keuntungan utama dari sistem ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 2

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________ 3 fasa dibanding sistem 1 fasa adalah dayanya yang dihasilkan 3 kali lipat dari sistem 1 fasa untuk ukuran yang sama. Ujung ketiga kumparan ini biasanya diberi kode warna, yang berbeda yaitu, merah ( R ), kuning ( Y ) dan biru ( B ). Tegangan yang dibangkitkan pada tiap kumparan mempunyai bentuk dan harga yang sama, tetapi masing-masing berbeda 120 °, lihat gambar 4.

Gambar 3, Susunan belitan pada alternator 3 fasa

Gambar 4, sinusoida alternator 3 fasa. 1.2. Sistem Sambungan Kumparan Alternator

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 3

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________ Ujung dan pangkal tiap kumparan alternator diberi kode angka berbeda. Tetapi karena beban pelanggan terletak cukup jauh dari alternator penyambungan dengan enam kawat menjadi rumit dan mahal. Untuk mengatasi hal ini, maka dibuat suatu metode penyambungan yang praktis dan hemat, yaitu: „ Sambungan bintang (star). „ sambungan segi tiga ( delta ) Sambungan segi tiga adalah apabila tiap ujung kumparan dihubungkan ke pangkal kumparan yang lain, sehingga terbentuk suatu segi tiga. Kawat keluarannya diambil dari tiap titik sambungan. Jumlah kawat keluaran ada tiga, lihat gambar 6. Metode penyambungan cara ini biasanya digunakan dalam trafo atau motor. Hal ini sesuai karena jumlah pengaruh dari tiap tegangan fasa sama dengan nol pada tiap saat. Sambungan bintang adalah apabila semua pangkal kumparan dihubungkan menjadi satu membentuk titik umum disebut sebagai titik bintang atau titik netral. Sementara ketiga ujung kumparan merupakan sambungan keluar. Sambungan cara ini dapat disederhanakan karena pada titik bintang ternyata arusnya sama dengan nol. Oleh karena itu titik ini biasanya dihubungkan ke tanah, kadang kala dengan melewati suatu tahanan atau trafo. Metode sambungan ini selalu digunakan di alternator dan juga di motor atau trafo.

Gambar 5. Kumparan Generator 3 fasa

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 4

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________

Gambar 6a. Sistem Sambungan Segitiga

Gambar 6b. Sambungan Bintang

2. Hubungan FREKUENSI dan Nilai Arus Bolak Balik Generator yang bekerja berdasarkan induksi magnet terdiri dari medan magnet dan kumparan. Pada umumnya generator pada pusat pembangkit menerapkan kumparan sebagai bagian yang diam (stator) sedangkan medan magnet sebagai bagian yang berputar (rotor) atau magnet putar. Generator merupakan mesin sinkron, artinya kecepatan putar medan magnet rotor (mekanik) sama dengan kecepatan putar medan magnet stator. ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 5

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________

Besarnya frekuensi yang dibangkitkan oleh generator ditentukan oleh kecepatan putar medan magnet dan banyaknya kutub atau pasang kutub magnet. Atau dapat ditulis dengan formula : nxp F = Rpm 60 Dimana F = frekuensi p = banyak pasang kutub magnet stator n = banyaknya putaran 60 = jumlah detik dalam satu menit Jadi apabila suatu generator mempunyai magnet empat kutub (2 pasang) pada rotornya berputar dengan kecepatan 3000 rpm, maka frekuensi yang dihasilkan adalah 3000 x 2 F

=

= 100 Hz 60

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. 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. Arus bolak balik mempunyai bentuk gelombang sinus dan kurva nya disebut sinusoida. Mengingat harga listrik AC selalu berubah-ubah terhadap waktu, maka terdapat ketentuan mengenai berbagai harga dalam listrik AC. Harga-harga tersebut adalah : a. Harga puncak (Amplitudo) Harga puncak adalah harga maksimum dari amplitudo gelombang sinus dalam setengah siklus, baik itu positif maupun negatif. Harga puncah diberi tanda ’^’ atau index ’p’, misalnya arus puncak = Ip. b. Harga puncak ke puncak Harga puncak ke puncak adalah harga dari puncak positih hingga puncak negatif atau sebaliknya. c. Harga Sesaat

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 6

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________ Nilai arus AC selalu berubah setiap saat secara terus menerus. Harga sesaat adalah harga yang diberikan setiap saat. Tegangan atau arus sesaast diberi simbul dengan huruf kecil v dan i.

Gambar 7, Sinusoida 1 fasa . d. Harga rata-rata Harga 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 harga rata-rata arus AC sama dengan nol. e. Harga efektif (rms = root mean square) Kita perlu memiliki harga yang dapat digunakan untuk perhitungan yang menunjukkan jumlah arus listrik. Harga efektif arus AC adalah harga yang akan menghasilkan panas yang sama bila dialiri dengan arus DC. Bila I menunjukkan arus efektif, maka besarnya adalah :

I=

Ip ∇2

= 0,707 I p

3. EKSITASI DAN PENGATUR TEGANGAN OTOMATIS Eksitasi adalah sistem mengalirkan pasok listrik DC untuk penguat medan rotor alternator. Dalam keadaan start atau beroperasi sendiri tegangan alternator tergantung pada besarnya arus eksitasi. Apabila arus eksitasi berubah tegangan alternator juga berubah. Tetapi alternator yang beroperasi paralel dengan sistem jaringan, tegangannya relatif konstan. Perubahan arus eksitasi tidak merubah tegangan tetapi menyebabkan berubahnya faktor kerja ( Cos ϕ ) dan daya reaktif ( Var ). Terdapat dua cara mengalirkan arus eksitasi ke rotor alternator, yaitu : „ Sistem eksitasi dengan sikat ( brus excitation ) ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 7

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________ „ Sistem eksitasi tanpa sikat ( brushless excitation ) 3.1. Eksitasi dengan sikat Sistem eksitasi dengan sikat terdiri dari alternator DC atau alternator AC yang arusnya disearahkan yang berfungsi sebagai main eksiter, slipring, pilot eksiter atau generator frekuensi tinggi, penyearah dan pengatur tegangan otomatis. Didalam sistem ini pilot eksiter atau permanen magnet generator ( PMG ) atau HFG, medan magnetnya adalah magnet permanen. Banyaknya kutub biasanya 16, sehingga menghasilkan frekuensi 400 Hz. Keluaran dari pilot exsiter adalah AC dan dialirkan lemari penyearah. Didalam lemari ini tegangan diubah menjadi DC dan digunakan untuk mengontrol kumparan medan eksiter utama ( main exciter ). Gambar..8 memperlihatkan konfigurasi sistem eksitasi dengan sikat untuk alternator 300 MW tipikal.

Gambar.8. Sistem Eksitasi Didalam sistem ini eksitasi untuk alternator diproduksi melalui tiga tahap, yaitu pilot eksiter, main eksiter, dan alternator. Untuk mengalirkan arus eksiter dari main eksiter ke rotor alternator digunakan slipring dan sikat arang. Demikian pula penyaluran arus dari pilot eksiter ke main eksiter. 3.2. Eksitasi tanpa sikat Penggunaan sikat dan slipring untuk menyalurkan arus eksiter kerotor alternator mempunyai kelemahan, karena besarnya arus yang dapat dialirkan oleh sikat arang relatif kecil. Oleh karena itu alternator dengan kapasitas yang besar tidak mampu lagi mengalirkan arus eksitasi dengan sikat dan slipring, sehingga digunakan sitem eksitasi tanpa sikat. ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 8

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________

Sistem eksitasi tanpa sikat pada dasarnya terdiri atas komponen yang sama dengan sistem eksitasi dengan sikat, tetapi penyearah arus dilakukan dengan peralatan yang berputar ( rotary ). Gambar.9 memperlihatkan konfigurasi sitem eksitasi tanpa sikat. Pengontrolan arus eksitasi tetap dilakukan pada sisi masuk eksiter utama. Keluaran dari main eksiter adalah tegangan AC tiga fasa pada sisi rotornya. Tegangan ini disearahkan didalam penyearah berputar ( rotating rectifier ) dan disalurkan ke alternator melalui poros. Jadi tidak diperlukan lagi adanya slipring dan sikat.

Gambar 9. Sistem Eksitasi Tanpa Sikat 3.3. Pengatur Tegangan Otomatis Kondisi beban listrik yang selalu berubah menuntut adanya sistem pengatur beban dan tegangan yang selalu dapat mengikuti perubahan sehingga diperoleh output frekuensi dan tegangan yang stabil. Alat untuk mengontrol beban ( frekuensi ) adalah governor valve, sedang alat untuk menjaga agar tegangan tetap stabil adalah pengatur tegangan otomatis (PTO atau AVR ). Tugas utama dari AVR secara singkat sebagai berikut : i. Mengontrol tegangan terminal generator dalam batas-batas yang ditetapkan, yang secara tidak langsung membantu mengontrol tegangan sistem. ii. Mengatur pembagian daya reaktif diantara mesin-mesin yang beroperasi paralel pada sistem. iii. Mengontrol arus medan untuk mejaga mesin berada dalam sinkronisme dengan sistem saat beroperasi, terutama sekali pada faktor daya satu atau leading, tergantung pada pembebanan mesin. iv. Menaikkan eksitasi medan ketika sisitem dalam keadaan terganggu untuk menjaga mesin agar selalu dalam sinkronisme dengan sistem. ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 9

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Generator dan Pengatur Tegangan

__________________________________________________________________________________

Gambar .10 menunjukan sekema rangkaian pengatur tegangan otomatis sederhana. Kumparan stator PMG atau pilot eksiter memasok daya ke AC eksiter ( eksiter utama ) melalui rangkaian pengatur tegangan. Besarnya daya ( arus eksitasi ) ke AC eksiter ditunjukkan oleh perbedaan antara tegangan terminal alternator dan tegangan referensi oleh balance meter. Perbedaan ini bisa berharga minus ( - ) dan ( + ). Apabila perbedaan tersebut berharga minus, maka AVR menghasilkan sinyal boost, yaitu penambahan arus eksiter ke AC eksiter. Sebaliknya jika perbedaan itu berharga plus, maka AVR menghasilkan sinyal buck, yaitu pengurangan arus eksiter ke AC eksiter. Apabila tidak ada perbedaan antara tegangan terminal alternator dengan tegangan referensi, maka sinyal keluaran AVR menjadi nol , artinya tidak ada penambahan dan tidak ada pengurangan arus eksitasi ke AC eksiter.

Gambar 10. Diagram Blok AVR

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 10

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ 4. SINKRONISASI GENERATOR DAN PENGARUHNYA Bila dua sistem tegangan bolak-balik ( AC ) akan di paralel, maka kesamaan dari lima kondisi atau parameter berikut ini harus dipenuhi. Kondisi tersebut adalah : 1. Tegangan 2. Frekuensi 3. Perbedaan fasa (sudut fasa ) 4. Urutan fasa 5. Bentuk gelombang Dua kondisi yang terakhir merupakan konstanta yang berkaitan dengan rancang bangun dan operasinya tidak dapat dikontrol. Sedang tiga kondisi lainnya harus dikontrol agar tegangan frekuensi dan sudut fasanya sama sebelum dihubungkan. Proses ini disebut sebagai “ Mensinkronkan “. 4.1. Prosedur Sinkronisasi Generator Sebelum melakukan sinkronisasi generator dengan sistem jaringan (infinite bus), pastikan bahwa : i. Pemutus tenaga ( circuit breaker ) generator dalam keadan terbuka. ii. Pemutus tenaga sistem eksitasi generator dalam keadan terbuka. iii. Mesin berputar pada putaran nominal dengan governor pada posisi minimum. iv. Semua kondisi unit normal dan memuaskan untuk di sinkronisaikan. v. Sistem jaringan telah bertegangan dan pemisah pada bus sudah masuk. Prosedur sinkron pada generator secara manual adalah sebagi berikut : a. Naikkan putaran mesin dengan kontrol governor 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 mesin 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. 4.2. Pengaruh Perbedaan Tegangan , Frekuensi dan Sudut Fasa Bila pada saat CB menutup, kesamaan dari mensinkronkan sirkit generator dengan sistem tidak terpenuhi, maka akan terjadi gangguan listrik. Tingkat gangguan ini tergantung kepada perbedaan dari kondisi yang telah ditentukan. i. Tegangan __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 11

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ Antara tegangan generator ( yang akan dipararel ) dengan tegangan sistem jaringan harus sama besarnya ( nilainya ). Untuk menyamakan, maka tegangan generator harus diatur, yaitu dengan mengatur arus eksitasinya. Apabila tegangan generator lebih tinggi dari tegangan sistem, maka mesin ( generator ) akan mengalami sentakan beban M Var lagging ( induktif ); artinya generator mengirim daya reaktif ke sistem. Sebaliknya bila tegangan generator lebih rendah dari pada tegangan sistem, mesin akan mengalami sentakan beban M Var Leading ( kapasitif ), artinya generator menyerap daya reaktif dari sistem. ii.

Frekwensi Frekuensi generator dan frekuensi sistem harus sama ( match ). Untuk menyamakan, maka putaran generator harus diatur, yaitu dengan cara mengatur katup governor ( aliran uap masuk turbin ). Jika frekuensi generator lebih tinggi dari pada frekuensi sistem, sistem akan mengalami sentakan beban MW dari mesin, artinya mesin membangkitkan MW. Sebaliknya jika generator frekuensinya lebih rendah dari pada sistem, mesin akan mengalami sentakan MW dari sistem , artinya mesin menjadi motor ( motoring ).

iii.

Perbedaan Fasa Sudut fasa antara generator dan sistem harus sama. Untuk menyamakannya fasa generator harus diatur, yaitu dengan cara mengatur kecepatan generator dengan katup governor. Apabila terjadi perbedaan fasa antara generator dengan sistem akan mengakibatkan sentakan perpindahan daya antara mesin dan sistem. Hal ini mengakibatkan kondisi gangguan dan terjadinya sirkulasi arus antara mesin dan sistem yang besarnya ditentukan oleh perbedaan antara keduanya. Di dalam penyediaan listrik, perusahaan listrik mempunyai kewajiban untuk menyediakan kualitas listrik yang stabil kepada pelanggan. Kualitas tersebut meliputi frekuensi dan tegangan yang selau konstan. Frekuensi di Indonesia menggunakan standard 50 Hz. Variasi frekuensi sebaiknya tidak melebihi ± 1 % dari 50 Hz, yaitu : 49,5 - 50,5Hz atau 2970 3030 Rpm.

Bila ferkuensi menyimpang dari 50 Hz , maka jam listrik dan putaran motor akan berubah sehingga untuk peralatan yang presisi perubahan ini dapat mengakibatkan terganggunya operasi alat. Batas waktu penyimpangan yang diperbolehkan dan tidak menimbulkan pengaruh adalah selama 10 detik. Jika jumlah pembangkitan MW melebihi kebutuhan pelanggan ( konsumen ), maka kelebihan energi ini menaikan putaran rotor semua turbin generator yang terhubung ke sistem sehingga frekuensi naik. Sebaliknya bila kebutuhan beban pelanggan lebih besar dari MW yang dibangkitkan , maka semua turbin generator putarannya berkurang sehingga frekuensi nya turun . Tegangan nominal untuk sistem tegangan rendah kepada pelanggan adalah 220 Volt. Variasi tegangan yang disarankan tidak melebihi ± 6 % dari tegangan __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 12

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ nominalnya. Jadi untuk tegangan nominal 220 Volt rentangnya adalah 206,8~ 233,2 V. Tidak seperti frekuensi, tingkat ( level ) tegangan pada seluruh sistem tidak sama. Tegangan sistem dapat dipengaruhi oleh keadaan setempat atau lingkungan.

4.3.

Gambar 11. Kurva Perbedaan Fasa 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 sirkit listrik yang lain untuk fasa yang sama, lihat gambar 11. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 13

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________

Untuk dapat melihat perbedaan fasa secara grafis diperlukan instrument oskiloscope. Tetapi didalam penerapannya menjadi tidak praktis untuk memasang osiloskop pada panel listrik (alternator ). Sebagai gantinya dipasang synhroskop dan lampu untuk mengetahui perbedaan fasa ini. Didalam sinkroskop ini hanya ditunnjukan keterangan “ slow “, dan “ fast, serta titik atau garis yang terletak diantaranya. Apabila jarum menunjuk kearah flow, artinya fasa alternator tertinggal dibelakang fasa sistem, sedang apabila jarum menunjuk kearah fast, artinya, fasa alternator lebih cepat dari fasa sistem. 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 alternator, karenan hal ini berarti terjadi sentakan aliran arus sirkulasi dari alternator ke sistem atau dari sistem ke alternator.

Gambar 12, Synchroscope 5. OPERASI GENERATOR 5.1. Kopling Magnetik Begitu suatu generator disinkronisasikan ke sistem biasanya mesin diberi beban minimum (block load ). Hal ini dilakukan dengan menaikan kontrol governor sehingga uap mengalir lebih banyak ke turbin. Tetapi begitu ini terjadi timbul perbedaan potensial (tegangan) antara kumparan stator dan tegangan terminal generator. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 14

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________

Perbedaan tegangan ini menyebabkan arus mengalir dalam kumparan stator sehingga menimbulkan medan magnet yang berputar pada kecepatan sinkron (sistem). Medan magnet ini berinteraksi dengan rotor dan membentuk kopling magnet antara rotor dengan stator melintas celah udara. Kopling magnetik ini menghasilkan suatu torsi pada rotor yang besarnya sama tetapi berlawanan dengan torsi masukan uap, sehingga kecepatan rotor tidak bertambah, tetapi terkunci pada sistem oleh kopling magnetik. Medan magnet didalam celah udara ini dapat dibayangkan seperti pita elastik yang kekuatannya tergantung pada medan magnetik rotor dan medan magnetik yang ditimbulkan oleh aliran arus didalam konduktor-konduktor stator. Kopling magnitik ini merupakan media ang memindahkan energy mekanik menjadi energy listrik (MW). Namun harus diingat bahwa kedua medan magnet tadi berputar dalam keadaan yang sama, jadi stasioner (diam) satu sama lain. 5.2. Sudut Beban Bagaimanapun untuk menciptakan medan magnet yang disebabkan aliran arus stator, pertama rotor harus dinaikan kecepatan sudutnya terhadap tegangan terminal sampai torsi lawan yang dihasilkan oleh kopling terimbangi torsi input. Hubungan sudut ini dikenal sebagai sudut beban atau sudut rotor, lihat gambar.13.

Gambar 13. Sudut Beban atau Sudut Rotor Jika kekuatan kopling magnetik berubah karena perubahan eksitasi ( arus rotor ), arus stator atau pemasukan uap, maka akan ada suatu hubungan gerakan maju ( sudut rotor dinaikan ) atau mundur (sudut rotor berkurang ), dalam arah putaran, hingga posisi kesetimbangan yang baru dicapai. Jika kopling magnetik dibentang atau diperlemah secara berlebihan, maka kopling akhirnya akan putus dan rotor tidak lagi berada dalam sinkronisme dengan sistem. Kopling tersebut dapat terputus karena dua cara, yaitu : 1. Menjaga kekuatan magnetik sama, tetapi menaikan torsi input __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 15

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ 2. Menjaga torsi input tetap sama tetapi mengurangi kekuatan magnetik dengan mengurangi arus rotor atau arus stator. Bila kopling magnetik putus, maka operasi generator tidak stabil dan kondisi ini disebut sebagai ketidak stabilan (instability) generator atau beroperasi tidak sinkron (asychron) karena kecepatan rotor tidak lagi berada dalam sinkronisme dengan sistem. Ada dua macam operasi tidak sinkron yang berbeda yaitu penggelinciran kutub ( pole slipping ) dan benar-benar operasi tidak sinkron ( true asynchronous ). Penggelinciran kutub adalah kondisi dimana kopling magnetik terputus karena kekuatan magnetik tidak cukup, tetapi eksitasi masih ada. Rotor akan dipercepat relatif lambat bila kopling magnetik putus pada 1200 - 1300 pertama, dan lebih cepat untuk 2300 C berikutnya. Kopling kemudian terbentuk lagi dan mengurangi kecepatan rotor, tetapi kekuatannya tidak cukup sehingga putus lagi dan mulai penggelinciran kutub lagi. Pengoperasian tidak sinkron dianggap suatu kehilangan total eksitasi medan. Pada kondisi ini tidak ada pengurangan gaya terhadap putaran rotor, tetapi generator menyerap semua arus magnetisainya (MVAR) dari sistem, dan beroperasi sebagai generator induksi. Dalam kasus lain, kondisi tersebut tidak dapat dibiarkan dan oleh karena itu pada semuanya kecuali unit-unit yang kecil, dipasang proteksi untuk mendeteksi dan mentripkan unit dari sistem. Untuk unit yang kecil menyingkronkan kembali dapat dilakukan dengan mengurangi aliran uap masuk ( governor ), dan menaikan eksitasi medan, keduanya mendorong rotor untuk kembali berada dalam sinkronisme dengan sistem. 5.3. Kurva Kemampuan Alternator Satu cara yang mudah untuk mempertunjukan faktor-faktor yang membatasi operasi generator adalah dengan bentuk diagram.Diagram ini disebut capability atau power chart. Pada umumnya suatu diagram capability disediakan untuk setiap generator dengan harga sesungguhnya yang diberikan oleh generator itu. Dalam gambar.14a, ditunjukan diagram tersebut ditandai dengan faktor-faktor pembatasan masing-masing dan digambarkan hanya sebagai suatu tipe, tanpa diberikan harga sesungguhnya. Diagram capability sesungguhnya digambarkan pada perkiraan bahwa tegangan terminal generator dipertahankan pada harga nominalnya. Jika mengoperasikan pada tegangan yang berbeda dari harga ini, maka diagram tidak dapat dipakai lagi. Dengan cara yang sama digambarkan dengan menganggap bahwa semua susunan pendingin dan parameter-parameter berada pada configurasi dan harga rancangan.

__________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 16

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________

Gambar 14a. Diagram Kapabilitas Generator Diagram capability generator dapat digunakan bersama dengan pengukuran MW dan MVAR untuk memperkirakan parameter-parameter seperti faktor daya, arus rotor, arus stator dan sudut motor ( beban ). Bila batas-batas pengoperasian diperjelas seperti pada gambar 14b, dapat dimengerti bahwa lingkar batas pengoperasian yang diperlihatkan pada suatu vektor meter dihasilkan dari diagram capability. Dapat ditambahkan bahwa jarak dari batas kesetabilan sesungguhnya ( practical stability limit ) ke kanan dari garis sudut rotor 750, adalah suatu garis batas keamanan yang didasarkan terutama pada tipe apa AVR yang digunakan dan kecepatan reaksinya terhadap perubahan tegangan terminal generator, dan apakah suatu sikuit “Pembatas VAR “ ( VAR limiter ) disediakan. Jika suatu generator dioperasikan dengan AVR keluar ( AVR switched out ), yaitu dengan kontrol eksitasi manual, maka tidak ada kontrol penstabilan ketika kondisi beban berubah sehingga harus diberikan batas keamanan yang lebih luas. Diagram capabilty biasanya menunjukan dua batas kestabilan yaitu, satu untuk AVR posisi otomatis dan lainnya ketika AVR posisi manual. 5.4. Faktor-faktor Yang Membatasi Output Generator Dalam merancang dan membuat konstruksi suatu alternator maka pabrik menetapkan berapa kemampuan maksimum operasi kontinyu ( maximum continous rating ) dari mesin meliputi : MW MVA p.f (cos ϕ ) Tegangan stator Arus stator __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 17

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ Tegangan rotor Arus stator Perlu diingat bahwa : MW pf = = Cos ϕ MVA MVA = V. stator x I stator x √ 3 Pengoprasian alternator harus sedemikian sehingga batasaan rancangan tidak dilampaui.

Gambar 14b. Kurva Kapabilitas Generator Perlu diingat bahwa : MW 1. Faktor daya = = Cos. ∅, dimana ∅ adalah sudut fasa MVA 2. MVA = KV stator x KA stator x √ 3 = KV x KA x √ 3 Pengoprasian generator harus sedemikian rupa, sehingga tidak satupun batas rancangan dilampaui, karena bila dilampaui akan menimbulkan kerusakan pada alternator. Ada lima batas operasional rancangan listrik dan masing-masing harus diperhatikan . a. Batas Arus Rotor

__________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 18

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ Batas ini ditentukan oleh tipe dan klasifikasi isolasi kumparan rotor. Pada umumnya rotor alternator diisolasi dengan kelas B, dan ini berarti material ( bahan ) isolasi yang digunakan tahan terhadap temperatur sampai 1300C. Diatas temperatur ini isolasi kumparan memburuk karena panas sehingga memperpendek umur mesin yang akhirnya menimbulkan kerusakan. Oleh karena itu temperatur operasi normal maksimum harus dibatasi pada suatu harga yang akan mencegah menurunnya kemampuan. Kenaikan temperatur rotor maksimum sebenarnya pada alternator tertentu ditentukan oleh tipe metoda pendingin rotor dan bagaimana susunan aliran pendinginan rotor, dan juga berdasarkan pada temperatur pendingin sisi dingin yang ditetapkan ( 400 C ). Jika temperatur gas dingin, tekanan dan kecepatan aliran dianggap konstan pada nilai ratednya, maka temperatur rotor hanya tergantung pada besarnya arus medan ( rotor ). Arus medan maksimum yang diizinkan biasanya ditentukan oleh pabrik dan ini berhubungan dengan batas temperatur rotor maksimum yang diizinkan untuk tipe isolasi yang digunakan. b. Batas Arus Stator Sebagaimana dinyatakan pada rotor, arus stator dibatasi oleh temperatur maksimum yang diizinkan untuk tipe material bahan isolasi yang digunakan. Temperatur kumparan-kumparan terutama akan bergantung pada arus stator yang mengalir melalui kumparan-kumparan stator tersebut, dengan anggapan bahwa temperatur masuk pendingin kumparan stator dan laju aliran konstan. Oleh karena itu pabrik menetapkan arus stator maksimum yang diizinkan dan ini akan berhubungan dengan temperatur maksimum yang diizinkan untuk klas isolasi yang digunakan (klas B). Jika alternator dioperasikan dengan mengalirkan arus stator harga maksimum,pada tegangan terminal generator, maka harga MVA maksimum operasi kontinyu tercapai. c. Batas MW Harga MW maksimum operasi kontinyu ditentukan oleh kemampuan pembangkit uap (steam generation ) dan nilai daya kuda (HP) dari turbin ketimbang nilai generator. Alternator dalam teorinya sanggup membangkitkan out put MW yang harganya sama dengan nilai MVA, dengan membuat arus pada stator sefasa dengan tegangannya, (yaitu ketika beroperasi pada faktor daya satu). Bagaimanapun, sebaiknya pembangkit daya nyata (MW) alternator juga harus mampu memasok daya reaktif (MVAR), dan oleh karena itu alternator dirancang untuk beroperasi pada faktor daya lagging (contohnya 0,85 lag). Hal ini berarti bahwa bila arus stator maksimum mengalir, nilai out put MVA tercapai, tetapi karena out put MW adalah sama dengan MVA x Cos ∅, maka hanya 85% dari __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 19

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Sinkronisasi dan Operasi Generator

________________________________________________________________________________ out put MVA adalah MW (misalnya Cos ∅ = 0,85). Oleh karena itu diperlukan uap yang lebih sedikit dan daya turbin yang lebih kecil untuk memutar generator. d. Batas Arus Rotor Minimum ( Batas Stabilitas ) Daya yang dipasok ke alternator, pada kecepatan konstan, adalah sebanding dengan torsi yang diberikan pada rotor alternator oleh turbin. Daya ini harus diimbangi oleh suatu torsi listrik yang berlawanan dari dalam generator, bila tidak rotor akan dipercepat. Jika tegangan sistem jaringan dan kondisi frekwensi dianggap konstan, maka torsi keseimbangan maksimum dimana alternator dapat menahan ditentukan oleh tingkat flux magnit yang ditimbulkan oleh arus medan rotor didalam celah udara yang memberikan kopling antara stator dan rotor. Makin kuat kopling medan magnetik, makin kuat rotor terkunci ke stator. Jika lebih banyak uap yang dialirkan ke turbin dan karenanya torsi rotor, meningkat sehingga kopling magnetik akan direntang dan akhirnya akan terputus, menghasilkan percepatan pada rotor. Hal ini akan menyebabkan suatu gangguan listrik yang cukup besar pada sistem dan mungkin juga menyebabkan panas lebih yang tinggi pada stator dan rotor. Suatu pengurangan arus medan, tanpa pengurangan uap akan menghasilkan gangguan yang sama. Pemutusan kopling magnetik diikuti dengan kehilangan kestabilan mesin tidak dapat dihindari. Oleh karena itu alternator harus dioperasikan dengan arus rotor yang cukup untuk menjamin bahwa kopling magnetik cukup kuat untuk menjaga kestabilan alternator pada semua out put beban. e. Batas Pemanasan Ujung Stator Dengan arus stator yang tinggi pada faktor daya leading, cenderung terjadi pemanasan dari bagian-bagian ujung inti stator. Tetapi batas pemanasan ujung biasanya dicapai jika batas kestabilan dilampaui, oleh karena itu dalam operasi normal batas pemanasan ujung seharusnya tidak tercapai.

__________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 20

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ 6. MACAM-MACAM BEBAN dan DAYA Rangkaian listrik arus bolak-balik yang merupakan beban alternator pada dasarnya terdiri dari tiga komponen, yaitu : - Resistif (tahanan = R) - Induktif (kumparan = L) - Kapasitif ( kapasitor = C) Di dalam kenyataannya beban alternator atau sistem tenaga listrik tidak pernah hanya terdiri dari beban resistif murni saja, atau bebas induktif murni saja atau beban kapasitif murni saja, tetapi merupakan gabungan dari dua atau tiga jenis beban tersebut. 6.1. Beban Resistif (R) Rangkaian listrik yang hanya terdiri dari tahanan (resistor) disebut rangkaian tahanan murni. Peralatan listrik yang mempunyai tahanan murni contohnya adalah 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, lihat gambar 15, sehingga besarnya daya adalah : E P

= I x E , karena I = ——— R 2 E maka P = ——— atau P = I2 . R R

Gambar 15. Arus Sefasa dengan Tegangan Pengaruh beban resistif pada alternator akan menimbulkan reaksi jangkar pada stator sehingga timbul medan magnit yang arahnya melawan medan magnit rotor, akibatnya ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 21

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ putaran rotor turun. Karena putaran turun, maka frekwensi 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, lihat gambar. Kuat 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. Simbul untuk unduktansi adalah L dan satuanya 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, lihat gambar 16, atau dikatakan arus tidak sefasa lagi dengan tegangan dengan sudut 90º. 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 XL 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. Reaktansi induktif XL = 2 π f L dimana : π = 3,14 ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 22

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ f L

= frekuensi = induktansi

Gambar 16. Arus Tertinggal dari Tegangan

Pengaruh beban induktif terhadap alternator 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 ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 23

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ 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 batere 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 batere (sumber). 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 lihat gambar 17 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. 1 Reaktasi kapasitif = XC = ——— 2πfC dimana C = kapasitansi

Gambar 17a. sirkit beban kapasitif

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 24

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________

Gambar 17b, Kurva dan vektor beban kapasitif Pengaruh beban kapasitif terhadap alternator 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 alternator cenderung beroperasi ke daerah tidak stabil. 6.1. Daya dan Energi Bila arus mengalir melalui suatu hambatan, maka timbul panas pada hambatan tersebut. Lalu disebut apakah panas yang timbul itu ?. Sebagaimana dalam ilmu mekanik ada dua istilah disini 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. Disebut kerja (usaha) telah dilakukan, apabila muatan sebesar Q Coulomb berpindah melalui perbedaan tegangan V Volt.

atau

Work = V . Q Joule Q = I . t Coulomb W = V . I . t Joule Jadi,

Energi

= W = V . I . t Joule

Sedangkan daya listrik adalah laju (rate) dari kerja yang dilakukan. Karena Joule adalah satuan kerja, maka daya di ukur dalam Joule per detik. Istrilah yang lebih umum untuk satuan daya adalah Watt. 1 Watt = 1 Joule per detik Energi atau Kerja (joule) Sehingga Daya = Waktu (detik) ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 25

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ V.I.t P =

Watt t

P = V.I

Watt

Dengan menggunakan formula hukum Ohm dapat diperluar menjadi, P = V.I V = I.R

Karena

Watt V2

P = I2 . R

maka

atau

P = R

6.2. Macam-macam Daya Mengingat sifat-sifat rangkaian terhadap arus bolak-balik seperti tersebut di atas, maka jenis dan perhitungan daya dalam arus bolak-balik berbeda dengan daya dalam arus searah. Di dalam arus searah seperti telah dijelaskan di atas, P = V . I Watt atau P = I2 . R Watt Di dalam rangkaian arus bolak-balik ada tiga macam daya, yaitu : * Daya nyata (aktif) * Daya semu * Daya reaktif Daya nyata (true power) Daya nyata adalah daya yang dapat dilihat hasilnya dan merupakan hasil perkalian antara arus dan tegangan dengan faktor daya (Cos ∅), dengan satuan Watt, ditulis : P = V . I . Cos ∅ . Watt 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 : Z

= √ R2 + (XL - XC)2

Sehingga besarnya arus dapat dicari dengan menggunakan hukum Ohm. V I = ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 26

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

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

Gambar 18, Kurva daya Arus sefasa dengan tegangan. Daya Semu (Apparent power) Daya semu adalah daya yang mengabaikan adanya beban induktif dan beban kapasitif, atau perkalian antara arus dan tegangan dengan satuan Voltampere. P = V . I Voltampere 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. Daya Reaktif (Reactive power) Daya reaktif adalah daya hasil perkalian antara arus dan tegangan dengan sinus ∅, dan satuannya adalah Voltampere reaktif (Var). P = V . I sin ∅ 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 kapasitif. Gambar 18 menunjukkan kurva daya dalam berbagai rangkaian (resitif, induktif dan kapasitif). Hubungan diantara ketiga daya dapat membentuk suatu segitiga dan disebut segitiga daya, lihat gambar 19. Daya semu ( S )2 = Daya nyata ( P )2 + Daya reaktif ( Q )2 S2 = P2 + Q2

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 27

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ Sudut antara daya nyata dengan daya semu adalah sudut ∅, dan faktor daya juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan antara daya nyata dengan daya semu. P Faktor daya : Cos ∅ = S

Gambar 18. Kurva Daya Rangkaian Induktif dan Kapasitif

MVA MVar Φ MW Gambar 19. Segitiga Daya 7. KONSTRUKSI GENERATOR Alternator atau generator merupakan komponen utama PLTU yang berfungsi untuk merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Kapasitas alternator dari waktu ke waktu berkembang semakin besar dengan teknologi konstruksi dan rancang bangun yang semakin maju. Kapasitas alternator PLTU di Indonesia sangat bervariasi, karena pembangunannya disesuaikan dengan kebutuhan energi yang harus dilayani.

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 28

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ Kostruksi alternator PLTU semuanya menggunakan medan magnet putar . Hal ini bertujuan untuk memudahkan penyambungan (connection) energi listrik keluar alternator, karena titik terminal penyambunagn benda pada stator. Komponen utama alaternator terdiri dari : a. Casing (frame atau rangka) b. Stator (inti dan kumparan) c. Rotor d. Eksiter 7.1. CASING Casing terbuat dari baja ringan yang dirancang untuk menopang inti stator dan kumparan-kumparan nya.. Pada umumnya generator di PLTU didinginkan dengan hidrogen yang bertekanan. Oleh karena itu casing harus dirancang mampu menahan tekanan dan ledakan hidrogen yang mungkin terjadi . Besarnya tekanan ledak diperkirakan dua kali tekanan hidrogen.

Gambar 20. Generator dan eksiter 7.2. Stator Stator terdiri dari inti stator dan kumparan. Pada generator-generator ukuran kecil, inti statornya dibuat menjadi satu dengan casing, tetapi pada generator ukuran besar inti statornya dibuat sebagai komponen terpisah. (lihat gambar 21 dan gambar 22). Inti ini terbentuk dari susunan plat-plat baja silikon yang mempunyai sifat kemagnetan yang baik dikompres dengan rapat sekali, tetapi diisolasi satu sama lain dengan pernis atau kertas berisolasi (impregnated paper).

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 29

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ Susunan plat baja silikon yang membentuk inti ini biasanya disebut laminasi. Laminasilaminasi ini membentuk saluran yang baik sekali bagi flux magnit yang dihasilkan oleh rotor. Isolasi pada laminasi mengurangi besarnya arus pusar (Eddy current), sehingga mengurangi kerugian panas yang timbul. Inti ini dibuat membentuk alur-alur untuk menempatkan kumparan dan lubang-lubang untuk saluran pendingin yang akan bersirkulasi untuk menyerap panas. Disepanjang keliling bagian dalam dari inti ini mempuyai sederetan alur-alur. Setiap alur berisi 2 lilitan (coil) yang dipasang berimpit satu diatas yang lain dan semua lilitan ini digulung dalam 3 grup yang berbeda, setiap grup disebut fasa.

Gambar 21. Stator Generator

Salah satu ujung dari setiap grup dihubungkan bersama untuk membentuk titik bintang atau titik netral pada kumparan stator. Ujung yang lain dari tiap grup, merupakan terminal keluar dari tiap fasa dan dibawa keluar dari casing generator melaui bushingbushing berisolasi. Ketiga penghubung ini mengalirkan energi listrik dari generator ke transformator generator

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 30

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________

Gambar 22, Inti dan Kumparan Stator Didalam kumparan-kumparan stator dibangkitkan tegangan tinggi sehingga kumparankumparan tersebut harus diisolasi secara baik dengan bahan pembungkus coil-coil tembaga pada lapisan-lapisan fibreglass atau pita mica, yang diisi/diresapkan secara bertekanan dengan bitumen atau suatu bentuk fibreglass. Coil-coil yang menggantung pada tiap ujung inti stator memberi ruangan untuk keperluan pen yambungan-penyambungan dari coil ke coil dan ujung terakhir ke terminal. Ujung-ujung kumparan dijepit dengan kuat sekali dengan bahan isolasi seperti pasak bakelite, pita isolasi dan mur-mur dan baut-baut permali untuk mencegah gerakan oleh gaya mekanik yang disebabkan oleh kebocoran flux magnet. Generator-generator yang besar biasanya menggunakan pendingin air untuk coil-coil statornya. Konduktor-konduktor dengan penampang yang berlubang persegi mengizinkan air murni (non-conducting) untuk bersirkulasi melalui coil-coil. Inlet manifold dan exhaust manifold mensirkulasikan dan menampung air pendingin. Media pendingin yang lain adalah gas hidrogen yang disirkulasikan sekeliling bagian dalam dari generator oleh fan yang dipasang pada tiap ujung dari rotor. Saluran-saluran kecil dan alur-alur dalam inti stator dan dalam metal rotor serta kumparan rotor memungkinkan gas untuk mendinginkan bagian-bagian ini secara kontak langsung. 7.3. Rotor Bentuk rotor dari generator besar yang diputar dengan turbin uap biasanya tipe silinder dengan 2 atau 4 kutub magnet. Rotor ini dibuat dari metal tempa berbentuk silinder sepanjang generator. Untuk mesin-mesin berkutub 4 yang lebih besar diameternya sampai 1,5 meter. Kedua ujung rotor yang merupakan poros dibuat berdiameter lebih kecil untuk dipasang bantalan journal. Pada salah satu sisi poros ini dilengkapi dengan slipring atau terminal untuk menyalurkan arus aksitasi (penguat). Sepanjang keliling bagian luar rotor di buat alur-alur aksial untuk menempatkan kumparan. Pada mesin berkutub 2 alur-alur ini membawa kumparan-kumparan (coil) rotor separuh searah jarum dan separuh lainnya berlawanan jarum jam. ___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 31

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________ Dengan cara ini, bila arus dialirkan ke kumparan-kumparan rotor, maka dihasilkan medan magnit yang mempunyai kutub utara dan selatan pada sisi yang berlawanan. Untuk mesin berkutub 4, coil-coil digulung sedemikian rupa sehinga kutub-kutub utara dan selatan akan berselang seling satu sama lain dengan sudut 90°. Pada kedua tipe mesin ini , tiap alur membawa beberapa lapis coil hingga bagian dalam. Tiap coil diisolasi satu sama lain dan pada samping-samping alur biasanya disisipi dengan mica atau strip-strip dan palung-palung fibreglass. Pada tiap ujung alur, antara ujung kumparan yang satu dengan ujung kumparan yang lain dihubungkan dengan penghubung yang berada diluar alur pada kedua sisinya hingga membentuk coil yang konsentris. Bagian yang menggantung dari coil tidak mendapat penyangga dari alur rotor, dan harus menahan gaya sentrifugal yang tinggi akibat perputaran dari rotor. Oleh karena itu bagian yang menggantung ini dijepit dengan blok-blok terisolasi, dan ditahan dalam ring pengikat coil retaining ring yang berbentuk silinder. Ring ini dibuat dari bahan baja austenit non-magnetis dengan kandungan mangan tinggi yang diameter luarnya sedikit lebih besar dari rotor. Ring ini dipasang dengan cara dipanaskan (shrink-fitted).

Gambar 23. Kumparan Rotor Coil-coil dan pasak-pasak dilekukkan dan dilobangi, sementara alur-alur rotor dibuat lebih dalam dari coil agar gas pendingin (hidrogen) bersirkulasi. Retaining ring selain berfungsi untuk menahan kumparan rotor yang berada diluar alurnya terhadap gaya sentrifugal, juga mencegah kenaikan kebocoran flue dan stray load yang sebanding dengan besarnya arus.

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 32

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Beban dan Daya Generator

__________________________________________________________________________________

Gambar 24, Ring-ring pengikat rotor dan kumparan-kumparan Kedua ujung kumparan rotor dihubungkan pada slip ring -slip ring yang dipasang pada poros dan terisolasi terhadap poros tersebut, atau dihubungkan pada terminal penyearah berputar untuk jenis eksitasi tanpa sikat. Sikat karbon yang dipasang pegas ditahan disekeliling slip ring-slip ring untuk menyalurkan arus ke rotor. Bentuk utama lain dari rotor adalah yang dikenal sebagai rotor dengan kutub menonjol (salient pole rotor). Tipe ini biasanya diputar pada kecepatan yang lebih rendah seperti pada turbin air. Kecepatan yang lebih lambat memerlukan jumlah kutub yang lebih banyak untuk menghasilkan frekwensi 50 Hz, karena : Frekwensi = kecepatan putaran (put/det) x Jumlah pasang kutub / 60 nxp f = ⎯⎯⎯ 60 Kecepatan yang lebih lambat menyebabkan ukuran diameter rotor jauh lebih besar, dan gaya sentrifugal yang timbul memnjadi lebih kecil. Oleh karena itu struktur dari rotor dapat dibuat mengitari suatu poros yang ditempa, dengan potongan kutub-kutub yang dipasang mengitari kelilingnya dari laminasi-laminasi yang sama seperti juga yang dipakai pada inti stator. Kumparan-kumparan Rotor tersebut disisipkan sekeliling potongan ini. Pendinginannya bisanya dengan sirkulasi udara karena area yang lebih besar sehingga memungkinkan pendinginan yang lebih efisien. Tiga komponen utama yaitu, casing , inti stator dan rotor, dirancang sebagai bagianbagian terpisah dan diangkut ke Pusat Pembangkit. Ini memungkinkan pabrik-pabrik mempreteli komponen hingga sesuai dengan kemampuan jalan . Inti stator adalah sangat berat dan biasanya bagian sisi yang harus diangkat ke Pusat Pembangkit tanpa dipreteli.

___________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 33

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ 8. PENDINGIN GENERATOR Mengapa alternator memerlukan pendinginan ? Alternator yang beroperasi selain memproduksi energi listrik juga menghasilkan panas didalam alternator.. Sistem pendingin alternator diperlukan untuk menyerap panas yang timbul didalam alternator sehingga mencegah terjadinya panas lebih yang dapat merusak isolasi. Panas didalam alternator merupakan kerugian yang menurunkan efisiensi alternator. Kerugian yang menimbulkan panas didalam alternator meliputi : a. Kerugian tembaga listrik Konduktor stator dan rotor yang dilalui arus listrik mempunyai nilai tahanan tertentu. Besarna nilai tahanan ini tergantung pada panjang, luas penampang dan jenis materialnya (biasanya tembaga). Aliran arus listrik (I) yang mengalir melalui konduktor yang mempunyai tahanan (R) menimbulkan panas. Besarnya panas ditentukan oleh rumus : Panas = I2 . R ( watt) b. Kerugian besi magnetis Kumparan rotor alternator 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 (ingat ggl lawan) sehingga meningkatkan arus Eddy (arus pusar). Begitu 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 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. Medan magnet yang berubah-ubah secara tetap di dalam inti stator memyebabkan terjadinya lop histeris. Histerisis medan magnet ini juga menimbulkan panas. Sebagaimana arus Eddy histerisis juga dapat dikurangi dengan membuat inti stator dengan laminasi. c. 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 output alternator. Oleh karena itu sistem pendingin harus mampu mencegah kenaikan temperatur melebihi batas operasinya. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 34

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ 8.1. Macam-macam Pendingin Untuk menyerap dan membuang panas (disipasi) yang timbul didalam alternator yang sedang beroprasi dapat digunakan beberapa macam media pendingin. Media pendingin tersebut adalah : „ Udara „ Hidrogen „ Air Pendingin dengan udara biasanya digunakan pada alternator dengan kapasitas yang rendah, tetapi selalu ada kekecualian, karena pertimbangan keamanan atau menyangkut hak cipta pabrik. Ada juga generator berkapasitas besar menggunakan pendingin udara atau generator berkapasitas kecil menggunakan pendingin hidrogen. Alasan penggunaan hidrogen sebagai pendingin alternator adalah karena semakin besarnya kapasitas alternator, maka panas yang ditimbulkanpun semakin besar. Jumlah panas yang besar ini akan memerlukan jumlah udara pendingin yang semakin besar pula, sehingga ukuran alternator menjadi sangat besar. Karena ukurannya besar, maka kerugian gesekannya juga menjadi besar dan kebisingan yang timbulpun makin menigkat. Oleh karena itu digunakan gas hidrogen untuk pendingin alternator sebagai pengganti udara. Pendinginan alternator dengan hidrogen ada dua macam, yaitu pendingin tak langsung (covensional hydrogen cooled machine) dan pendingin langsung (inner cooled machine). Pendingin hidrogen tak langsung artinya hidrogen tidak kontak langsung dengan konduktor atau inti, karena adanya isolasi, terutama pada statornya. Pendinginan hidrogen langsung artinya hidrogen kontak langsung dengan konduktor tanpa ada pemisahnya. Alternator berpendingin hidrogen langsung mempunyai konduktor berongga, lihat gambar 25 sehingga gas hidrogen mengalir didalam konduktor. Pendingin alternator dengan air hanya dapat dilakukan terhadap statornya, sementara sebagai pendinginan pada rotornya biasanya menggunakan gas hidrogen. Air yang digunakan sebagai pendingin alternator adalah air murni (H2O) dengan daya hantar mendekati nol. 8.2. Keuntungan dan Kerugian • Pendinginan dengan Udara Keuntungannya : a. Udara mudah diperoleh dimana saja b. Murah c. Tidak perlu perapat poros

Kerugiannya : a. Kerapatannya cukup besar b. Daya hantar panas rendah c. Koefisien perpindahan panas rendah __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 35

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ d. Kebersihannya kurang . Pendinginan dengan hidrogen Keuntungan : a. Kerapatannya rendah (¼ nya udara ) b. Daya hantar panas tinggi ( 7 kali udara ) c. Koefisien perpindahan panasnya tinggi d. Tidak menimbulkan korosi asam e. Resiko kebakaran rendah f. Biaya pemeliharaan alternator rendah Kerugian : a. Resiko terjadinya ledakan tinggi ( 5% s/d 75% hidrogen di udara ) b. Memerlukan sistem perapat poros c. Memerlukan gas antara ( CO2 atau N2 ) d. Memerlukan pasok hidrogen e. Memerlukan casing yang kuat untuk menahan tekanan ledak

Gambar 25. Konduktor Berongga untuk Generator • Pendinginan dengan air Keuntungan : a. Kerapatannya tinggi ( 4545 lebih besar dari H2 ) b. Daya hantar panasnya tinggi ( 3,139 ) c. Koefisien perpindahan panas tinggi ( 13,7 ) __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 36

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________

Kerugian : a. Rumit konstruksi dan operasinya b. Kondisi kimia air harus terkontrol c. Memungkinkan air merembes ke sisi gas Melihat keuntungan dan kerugian dari penggunaan pendingin tersebut di atas, maka hidrogen sampai saat ini masih mempunyai banyak kelebihan dibanding jenis pendingin lain. Hal ini karena : 1. Kerapatannya rendah sehingga kerugian gesekan rendah, kebisingan berkurang dan daya fan untuk mensirkulasikannya juga rendah. 2. Koefisien perpindahan panas tinggi dibanding udara sehingga dapat menyerap panas lebih banyak sekalipun melewati lapisan isolasi. 3. Daya hantar panas tinggi dibanding udara sehingga dapat menghantarkan panas lebih banyak. 4. Tidak mendukung terjadinya korosi asam akibat korona didalam alternator. Korona adalah loncatan listrik akibat tegangan yang tinggi. Apabila korona ini melaui udara (Oksigen ) korona dapat membentuk asam sendawa ( nitrit acid ) yang merusak isolasi. Bila digunakan hidrogen, adanya korona tidak menimbulkan terbentuknya asam sendawa. 5. Resiko kebakaran rendah, hidrogen murni tidak membantu terjadinya kebakaran. Berbeda bila menggunakan udara, nyala api yang kecil mudah merambat dan membesar. 6. Biaya pemeliharaan rendah. Hal ini karena siklus gas tertutup dan bersih, sehingga tidak ada kotoran atau gas lain yang menyebabkan pengotoran atau penurunan umur untuk alternator.

8.3. SIRKULASI PENDINGIN Untuk menjaga agar tempertur media pendingin tidak meningkat terus, maka setelah menyerap panas media pendingin ini harus didinginkan untuk membuang panas yang dikandungnya. Oleh karena itu media pendingin harus disirkulasikan. Alternator Berpendingin Udara Udara pendingin disirkulasikan didalam alternator secara sirkulasi tertutup dengan dua fan dan didinginkan didalam pendingin ( Cooler ) yang dipasang di luar dirangka stator. Aliran udara pendingin dibagi menjadi empat jalur setelah keluar fan, lihat gambar 26. Jalur1. 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. Jalur 2. Dialirkan ke kumparan stator ke duct udara daan ke ruang ( compartement ) udara didalam rangka stator. Kemidian udara dialirkan ke duct didalam inti untuk menyerap panas dari inti dan kumparan stator. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 37

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ Jalur 3. Udara dialirkan untuk mendinginkan kumparan rotor, aliran udara pendingin melintasi tiap kumparan kemudian mengalir ke lubang-lubang badan rotor. Jalur 4. Udara dialirkan ke kumparan stator dan ke eksiter untuk mendinginkan eksiter. Sebagian udara yang masuk ke alternator bocor melalui poros, sehingga setiap saat udara ditambah dari atmosfir melalui saringan.

Gambar 26. siklus pendingin udara generator

Alternator Berpendingin Hidrogen. Untuk alternator berpendingin hidrogen tak langsung, sirkulasinya serupa dengan alternator berpendingin udara. Tetapi pada alternator berpendingin hidrogen langsung mempunyai sirkulasi yang berbeda dan hanya menggunakan satu fan ( blower ) yang dipasang diporos alternator pada sisi turbin. Alternator tipe ini mempunyai dua set pendingin hidrogen yang dipasang tegak di sisi keluar blower ( sisi turbin ), sehingga langsung mendinginkan gas hidrogen begitu keluar dari blower. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 38

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________

Gas hidrogen kemudian diarahkan ke kumparan stator pada sisi eksiter, ke main load and busing, serta kedua sisi kumparan rotor. Gas hidrogen kemudian diarahkan kekumparan stator pada sisi eksiter, ke main lead and bushing, serta kekedua sisi kumparan rotor. Gas diarahkan dari sekeliling rangka stator melalui orifice ke inti stator mengalir secara radial, keluar kecelah dan kembali ke blower secara aksial, lihat gambar 27. Gas yang mengalir ketengah main lead and bushing kemudian dibalikan arah ke lead box dan kembali ke blower. Sedang gas yang mengalir ke dalam kumparan rotor, keluar kecelah secara radial melalui lubang-lubang dan kembali ke blower. Sirkulasi gas hidrogen merupakan sirkulasi tertutup, namun karena hidrogen tercemar oleh minyak perapat poros sehingga kemurniannya menurun. Untuk mengembalikan kemurnian hidrogen, sebagian hidrogen di dalam alternator di vent ke atmosfir untuk menjaga lingkungan hidup pun tetap konstan, akibat di vent ke atmosfir, maka di tambah hidrogen dari luar (tangki persediaan) setiap saat.

Gambar 27. Sirkulasi hidrogen di dalam Generator 8.4. Pengisian dan Pengosongan Hidrogen 8.4.1. Persiapan Sebelum melakukan pengisian atau pengeluaran hidrogen dari alternator, maka diperlukan peralatan : „ Gas analizer „ Gas CO2 atau N2 „ Purity meter Hal yang perlu selalu diingat dalam pengisian dan pengeluaran gas hidrogen ke dan dari alternator adalah hidrogen tidak boleh bertemu langsung dengan udara. Oleh karena __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 39

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ itu digunakan gas antara, yaitu CO2 atau N2. Gas analizer digunakan untuk mengukur dan mengetahui : • % CO2 in H2 • % CO2 in Air • % H2 in CO2 Gas analizer ini biasanya tidak terpasang tetap disistem gas untuk alternator, sehingga perlu dipasang secara temporari ( sementara ). Persediaan gas antara ( inert ) harus cukup sehingga tercapai % CO2 in H2 yang disyaratkan. Sebelum ini dilakukan, sistem minyak perapat harus sudah dioperasikan dan beroperasi dengan baik. Kita anggap kondisi alternator habis dioverhaul atau dilakukan pemeliharaan, maka urutan pengisian adalah sebagai berikut : 1. Mengeluarkan udara dari alternator dengan CO2 2. Mengosongkan CO2 dengan Hidrogen. 3. Menaikan tekanan hidrogen. Sementara urutan pengeluaran H2 dari alternator adalah : 1. Mengeluarkan hidrogen dengan CO2. 2. Mengeluarkan CO2 dengan udara kering. 8.4.2. Perosedur Pengisian dan Pengeluaran Gas Hidrogen ( H2 ) Pengisian gas H2 ke dalam generator yang berisi udara atau sebaliknya pengisian udara kedalam generator yang berisi H2 dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu : a. cara langsung b. cara tidak langsung a. Cara Langsung Udara atau gas H2 yang terdapat dalam generator dikeluarkan dengan cara dihisap sehingga casing generator menjadi Vacum. Kemudian gas H2 atau udara diisikan kedalam generator yang telah vacum tersebut.

o Keuntungan : a. Uap air ( moisture ) maupun debu ( kotoran ) yang terdapat dalam generator ikut terbawa keluar. b. Jumlah gas H2 yang diisikan lebih sedikit, karena tidak perlu pembilasan (purging ). c. Waktu pengisian lebih singkat dan segera mencapai kemurnian yang tinggi. d. Tidak memerlukan gas inert CO2 sebagai media perantara. o Kerugian : a. Konstruksi generator harus kokoh agar dapat menahan vacum dan tekanan H2. b. Memrlukan sistem perapat khusus yang dapat menahan vacum dan bertekanan. c. Memerlukan pompa vacum. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 40

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________

b. Cara Tidak Langsung Udara atau gas H2 yang terdapat dalam generator dikeluarkan dengan cara memasukkan gas inert CO2. Gas ini berfungsi sebagai media perantara untuk membilas udara atau gas H2, sehingga mencegah terjadinya percampuran antara udara dan gas H2 didalam generator. Dengan cara ini selain diperlukan adanya gas CO2, jumlah gas H2 yang digunakan juga lebih banyak. a. Mengeluarkan udara dengan CO2 - CO2 dimasukan kedalam casing alternator melaui manifold bawah, sedang udara di vent ke atmosfir melalui manifold atas, lihat gambar 28. - Pemasukan CO2 berlangsung hingga tercapai persentasi 75% CO2 in Air, kemudian distop. b. Mengosongkan CO2 dengan hidrogen - Hidrogen dialirkan kedalam alternator melalui manifold atas, sedang CO2 di vent ke atmosfir melalui manifold bawah. - Penaikan hidrogen berlangsung hingga tercapai tingkat pemurnian 95 % H2 in CO2, kemudian vent diatur ( diperkecil ) . c. Menaikkan tekanan hidrogen Setelah vent dikurangi aliran hidrogen ditambah, sehingga tekanan hidrogen di dalam alternator naik, sedang tekanan minyak perapat menyesuaikan. Penaikan tekanan hidrogen berlangsung hingga sedikit dibawah tekanan kerja normal. tujuannya agar pada saat alternator dibebani dan temperaturnya naik, maka tekanan hidrogen akan naik hingga mencapai tekanan kerjanya. d. Menggeluarkan Hidrogen dengan CO2 Gas CO2 dialirkan ke alternator melalui manifold bawah dan hidrogen di vent ke atmosfir melalui manifold atas. Penggeluaran ini berlangsung hingga mencapai konsentrasi 90% CO2 in H2.

e. Mengeluarkan CO2 dengan dengan udara Setelah konsentrasi CO2 in H2 mencapai 90% pengisian CO2 ke alternator distop. Apabila alternator akan stop lama akan dilakukan pemeliharaan, maka CO2 didalam alternator harus dikeluarkan, caranya dengan mengalirkan udara kering ke alternator melalui manifod atas dan membuang CO2 ke atmosfir melalui manifold bawah. Pengisian dan pengeluaran gas ke dan dari alternator sebaiknya dilakukan dengan alternator dalam kondisi diam ( berhenti ), tetapi apabila terpaksa karena sesuatu hal, proses tersebut dapat dilakukan dalam kondisi alternator berputar. Namun ini berarti memerlukan gas yang lebih banyak. Dalam kondisi operasi , kemurnian dan tekanan hidrogen cenderung turun. Oleh karena itu, pasok hidrogen harus dibuka secara periodik atau kontinyu, demikian pula vent ke atmosfir. Untuk mencegah adanya uap air didalam hidrogen, maka hidrogen di __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 41

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ dalam alternator diberi silica gell untuk menyerap air. Silica gell ini akan menjadi jenuh setelah digunakan beberapa lama, sehingga harus di keringkan. Warna silica gell yang sudah jenuh adalah merah muda, sedang warna yang normal adalah biru.

Gambar 28. Sistem Purging Gas ke Generator 9. PERAPAT POROS 9.1. Fungsi dan Konstruksi Fungsi utama perapat poros alternator adalah, mencegah gas hidrogen keluar ke atmosfir, karena tekanan gas hidrogen didalam alternator lebih tinggi dari tekanan udara luar. Sebagai media perapat digunakan minyak pelumas. Konstruksi perapat yang sederhana diperlihatkan pada gambar 29. Perapat tipe radial ini terbentuk dari dua pasang sirip perapat ( sealing fin ) dengan kelonggaran ( clearance ) yang kecil. Untuk mencegah kerusakan yang disebabkan oleh gesekan, maka perapat tersebut ditekan oleh pegas yang lemas. Minyak perapat dengan tekanan sedikit lebih tinggi dari tekanan hidrogen dialirkan ketengah perapat dan memberi perapatan dengan mengalir kedua arah yang berlawanan, satu ke arah sisi hidrogen dan yang lain ke arah sisi udara. Untuk mencegah minyak masuk ke dalam casing alternator, dipasang ring penghapus minyak. Minyak ini selanjutnya dialirkan ke tangki vakum dan gas hidrogen dipisahkan dari minyak untuk dikembalikan ke alternator. __________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 42

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________ Sedang minyak yang ke sisi udara dikumpulkan dalam tangki detraining. Minyak perapat dipasok dengan menggunakan pompa yang digerakan oleh motor listrik. Tekanan minyak perapat dipertahankan sedikit lebih ( sekitar 0,5 bar ) tinggi dari tekanan hidrogen dengan menggunakan katup pengatur. 9.2. Jenis-jenis Perapat Ada dua tipe perapat yang umum digunakan, yaitu : a. Perapat radial atau perapat berpermukaan aksial ( lihat gambar 29 ). Pada umumnya alternator menggunakan perapat tipe ini, karena konstruksinya sederhana dan pemeliharaannya mudah. Ada dua jenis perapat radial, yaitu simple flow dan double flow. Jenis single flow mempunyai tingkat kebocoran yang lebih besar dibanding jenis double flow, sehingga diperlukan pasok gas yang lebih banyak saat beroperasi. b. Perapat aksial atau perapat berpermukaan radial. Perapat aksial terdiri dari thrust bearing yang ditahan oleh pegas atau tekanan minyak terhadap Collar pada poros rotor. Minyak dialirkan ketengah perapat dalam arah aksial dan terbelah menjadi dua aliran dengan arah yang berlawanan. Minyak akan mengalir ke sisi udara dan sisi hidrogen, lihat gambar 30.

Gambar 29 Perapat poros (radial) generator

__________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 43

PT PLN (Persero) UNIT JASA DIKLAT SURALAYA

Pendingin dan Perapat Alternator

________________________________________________________________________________

Gambar 30. Perapat Aksial Karena sebagian minyak masuk ke sisi hidrogen dan mencemari sehingga tingkat kemurnian hidrogen akan terpengaruh. Tetapi jumlah minyak yang masuk ke sisi hidrogen lebih banyak bila dibanding menggunakan perapat radial.

__________________________________________________________________________________ BPS/TtB/Sdr Doc.01/ OPU/L3/2006 44