BAB III LANDASAN TEORI

BAB III LANDASAN TEORI 3.1 Prinsip Umum Sinkronisasi Ganset di PT. ALTRAK 1978 3.1.1. Penjelasan Umum Sistem Kelistrikan Seiring laju perkembangan zaman dan teknilogi, maka pemenuhan akan kebutuhan sarana penunjang kehidupan yang layak menjadi suatu keharusan. Salah satu unsur yang menjadi penopang kemajuan peradaban suatu bangsa adalah tersedianya pasokan energi listrik yang memadai. Untuk manusia modern, kebutuhan akan energi listrik sudah merupakan kebutuhan primer. Pada kenyataanya pengadaan tenaga listrik menggunakan arus bolak balik(alternating current) lebih menguntungkan dari arus searah (direct current). Karena arus AC dengan menggunakan tranformator tegangan dapat dengan mudah diturunkan ataupun dinaikkan, dengan demikian energi listrik akan mudah dipindahkan secara lebih ekonomis. Kebutuhan energi listri kyang cukup besar membuat Perusahan Listrik Negara (PLN) mensuplaidengan tegangan sebesar 20 kvolt tiga phasa (R/L1,S/L2 dan T/L3) yang kemudian dengan trafo step down diturunkan sesuai dengan kebutuhan, yang umunya sebesar 380 volt tiga phasa. Di mana perbedaan tegangan antara phasa dengan phasa sebesar 380 volt danphasa dengan netral 220 volt. 14

Pemadaman bergilir yang d ilakukan pihak PLN beberapa waktu lalu lebih disebabkan karena kerusakan generator pembangkit, serta perluasan jaringan transmisi dan jaringan distribusi karena adanya penambahan tegangan. Pemadaman tersebut bisa saja sangat merugikan dunia industri dan lainnya sebagai pelanggan, dimana segala kegiatan yang dilakukan akan terhenti. Untuk mengatasi masalah tersebut maka pelanggan PLN yang bergerak didunia industri dan sebagaiya umumnya memiliki pembangkit tenaga listrik sendiri yaitu berupa Generator Set (genset), dimana genset ini akan dioperasikan apabila sumber tegangan dari PLN padam. 3.1.2. Penjelasan Umum Sinkronisasi Generator Sinkronisasi generator adalah bentuk penggabungan dua atau lebih sumber listrik untuk memperoleh suatu sumber listrik yang lebih besar. Dalam proses sinkronisasi secara umum yang sering ditemui adalah sinkronisasi antara genset dengan genset baik yang memiliki kapasitas yang sama maupun berbeda. Pada panel sinkron terdapat modul sinkron genset ( proses otomatis) yang dapat mengakomodasikan kebutuhan sinkronisasi generator, berikut load sharing, synchrinizing, depenednt start stop dan lain lain Berikut ini bisa dijelaskan mengenai fasilitas yang ada pada modul modul modern antara lain : 15

1. Dependent Start/ stop genset Adalah fasilitas yang dapat mengatur berapa genset yang hidup menyesuaikan kebutuhan beban, jika beban kecil maka memerintahkan genset yang lainnya untuk shutdown dengan soft unloading terlebih dulu. Demikian juga bila beban secara bertahap naik sampai melampaui setting yang kita tetapkan maka genset yang lainnya akan diperintahkan start secara otomatis dan sinkron otomatis. Gambar 3.1 Dependent Start/ stop genset ( Deep Sea) 2. Peak saving genset Adalah fasilitas dalam modul yang berfungsi untuk memberikan tambahan daya pada trafo, sebagai contoh kapasitas terpasang suatu bangunan 2000 KVA beban puncak mencapai 1400 kw, karena kondisi temperature dan suhu transformator sudah maksimal dan kritis, sedangkan 16

masih ada kecenderungan penambahan beban sehingga akan sangat beresiko, maka genset dioperasikan paralel untuk memberikan tambahan daya. Pada saat beban sudah hampir mencapai kapasitas maksimal trafo maka genset akan secara otomatis start dan otomatis akan parelel. Beban trafo akan dibuat tetap sedangkan kelebihannya akan disupply oleh Genset. Jika suatu saat beban menurun. maka otomatis genset akan diperintahkan untuk melepaskan beban dan shuting down. 3. Base load kontrol Base load kontrol adalah fasilitas dari modul yang mengatur beban genset secara konstan. Sedangkan kelebihannya yang fluktuatif di supply oleh trafo. Sebagai contoh bila sebuah rental genset dimana pihak rental harus memberikan daya sebasar 1000 kw secara kontinu maka genset bisa mensupply 1000 kw meskipun beban berubah ubah, kelebihan akan disupply oleh PLN. Sebagai contoh lain dua buah generator 1000 KVA bekerja paralel dimana salah satu genset Karena alasan teknis dibatasi hanya maksimal 500 Kw sedangkan genset yang satunya yang mensupply beban sisanya. 4. Dapat dioperasikan jarak jauh dengan menggunakan kabel data sampai sejauh 300 meter. Dalam operasional jarak jauh dapat dilakukan 17

start dan stop engine, terbaca parameter listrik antara lain kw,kva,kvar,volt, Hz,cosφ,Volt DC, running hours dll. 3.2 Sistem Pada Sinkronisasi Genset 3.2.1. Proses Sinkronisasi Genset Pada proses sinkronisasi manual, deteksi awal sinkronisasi dilakukan dengan mengmati dan mengatur tegangan maupun frequensi dari kedua sumber pembangkitlistrik generator yang akan disinkron melalui Double Volt maupun Double Frequensi meter, untuk mengatur kedua parameter agar bisa mendekati sama dilakukan dengan mengatur potensiometer atau speed dan voltage switch adjuster, bilamana kedua parameter ini sudah mendekati sama selanjutnya pengamatan sudut fasa dapat dilihat melalui synchronoscope dengan tetap melakukan setting pada kedua parameter volt dan frekuensi secara lebih halus sampai arah putaran synchronoscope melambat dan berhenti di jarum jam 12 maka circuit breaker untuk menyingkronkan genset tersebut sudah boleh di closing/on. Pada proses sinkronisasi otomatis melalui modul, semua proses pada sinkronisasi manual dilakukan oleh modul ( termasuk closing circuit breaker ) 3.2.2. Syarat Syarat Sinkronisasi Genset Syarat syarat dasar dari parallel generator adalah sebagai berikut : 1. Mempunyai Tegangan Antar Genset Yang Sama 18

2. Mempunyai Urutan Phase Yang Sama 3. Mempunyai Frekuensi Antar Genset Yang Sama 4. Mempunyai Sudut Phase Yang Sama Dalam kerja parallel generator tidak cukup hanya berdasar pada syarat syarat diatas ada hal lain yang perlu diketahui sebagai penjabaran syarat syarat diatas. Adapun penjabarannya sebagai berikut: 1. Mempunyai Tegangan Antar Genset Yang Sama Apa yang diharapkan dengan adanya tegangan kerja yang sama? dengan adanya tegangan kerja yang sama diharapkan pada saat diparalel dengan beban kosong power faktornya 1. Dengan power factor 1 berarti tegangan antara 2 generator persisi sama.jika 2 sumber tegangan itu berasal dari dua sumber yang sifatnya statis misal dari battery atau transformator maka tidak akan ada arus antara kedunya. Namun karena dua sumber merupakan sumber tegangan yang dinamis (diesel generator) Maka power factornya akan terjadi deviasi naik dan turun secara periodic bergantian dan berlawanan. Mengapa bisa terjadi demikian? Hal ini terjadi karena adanya sedikit perbedaan sudut phase yang sesekali bergeser karena factor gerak dinamis dari diesel penggerak.itu bisa dibuktikan dengan membaca secara bersamaan Rpm dari kedua genset dalam keadaan sinkron misalnya Generator 1 mempunyai kecepatan putar 1500 dan generator 2 mempunyai kecepatan putar 1501 maka terdapat selisih 1 putaran / menit Dengan perhitungan 1/1500 x 360 derajat maka terdapat 19

beda fase 0,24 derajat dan jika dihitung selisih teganan sebesar cosφ 0,24 derajat x tegangan nominal (400 V )- tegangan nominal (400 V ) dan selisihnya sekitar V dan selisih tegangan yang kecil cukup mengakibatkan timbulnya arus sirkulasi antara 2 buah genset tersebut dan sifatnya tarik menarik. dan itu tidak membahayakan. Dan pada saat dibebani bersama sama maka power faktornya akan relative sama sesuai dengan power factor beban. Memang sebaiknya dan idealnya masing masing generator menunjukkan power factor yang sama. Namun jika terjadi power factor yang berbeda dengan selisih tidak terlalu banyak tidak terjadi akibat apa apa. Akibatnya salah satu genset yang mempunyai nilai power factor rendah akan mempunyai nilai arus yang sedikit lebih tinggi. Yang penting diperhatikan adalah tidak melebihi arus nominal dan daya nominal dari genset. Sebagai contoh : Jika masing masing generator memikul beban 100 kw, dimana generator 1 dengan power factor 0,85 dan yang satu mempunyai power factor 0,75. Maka dengan menggunakan rumus daya aktif didapat selisih arus dan itu tidak ada masalah, dan bisa saja dianggap bahwa generator bekerja independent dengan arus tersebut. Pada saat generator bekerja parallel perubahan arus excitasi akan merubah power factor, jika arus excitasi diperkuat maka nilai power factor mengecil menjauhi satu, sebaliknya jika excitasi dikurangi maka nilai power factor akan membesar mendekati 1. 20

Pada generator yang akan diparalel biasanya didalam alternatornya ditambahkan peralatan yang dinamakan Droop kit. Droop kit ini berupa current transformer yang dipasang. disebagian lilitan dan outputnya disambungkan ke AVR. Droop kit ini berfungsi untuk mengatur power factor berdasarkan besarnya arus beban.. Sehingga pembagian beban kvar diharapkan sama pada kw yang sama. Pada panel panel kontrol modern sudah diperlengkapi dengan modul yang mana sudah terdapat pengaturan Var generator dengan output yang disambungkan ke AVR generator. sehingga secara otomatis masing masing genset berapapun beban kw power factor akan menjadi sama dan seimbang. Hal ini diperuntukkan pada system yang mana system tersebut parallel sesaat atau transfer beban baik antara genset maupun dengan PLN. Pada saat transfer beban secara soft transfer terjadi pemindahan beban, perubahan power factor yang kecenderungan terjadi diatur secara otomatic oleh modul tersebut, sehingga pada saat transfer beban tidak terjadi perubahan power factor yang berarti. Pada saat ini banyak pembangkit listrik rental yang terdapat pada PLTD PLTD seluruh Indonesia, dimana pihak swasta menyewakan Gensetnya untuk menambah kapasitas daya terpasang PLN. Pada kondisi ini sedikit berbeda dengan yang diuraikan diatas yaitu masalah pembagian dan pengaturan power factor. 21

Pada genset rental sudah ditentukan berapa kw beban yang akan disupply dan berapa kwh energi yang akan dikirim.pada saat mulai memparalelkan tegangan tidak harus sama, karena pengaturan kenaikan beban secara bertahap maka pengaturan penambaha excitasi juga bertahap sampai didapatkan power factor yang dikehendaki. Kita bisa mengatur sendiri power factor yang akan dioperasikan. Bisa 0,8 0,85 0,9 atau 0,95 namun pada umumnya yang lebih disukai pada power factor 0,9. Mengapa kita bisa mengatur power factor sekehendak kita? hal ini dikarenakan kapasitas generator PLN jauh lebih besar dibandingkan generator rental, sehingga perubahan power factor di generator rental tidak begitu mempengaruhi banyak meskipun ada. Sebagai contoh : Beban system suatu kota atau pulau sebesar 55 mega watt dimana PLN menyediakan 50 mega dan genset rental dapat beban 5 mega, Jika power factor beban yang ada 0,9. dimana Pada saat itu Power factor genset PLN 0,9 sedangkan rental juga diset 0,9. Jika suatu saat Power factor genset rental diturunkan menjadi 0,8 dengan mengurangi arus excitasi. Maka perubahan power factor di pembangkit PLN menjadi 0,91. sebaliknya jika power factor genset rental diatur menjadi 1 dengan menaikkan arus excitasi, power factor pembangkit PLN menjadi 0,89 sehingga perubahan sebesar 0,01 diabaikan. Pada saat hendak memparalelkan secara manual generator dengan Catu daya PLN yang sudah berbeban atau generator lain yang sudah 22

berbeban, apa yang mesti dilakukan? Jika kita menyamakan persis dengan tegangan line / jala jala,maka pada saat breaker close power factor genset akan menunjuk 1 dan beban kw akan menunjuk pada posisi 0, jika kita menambah daya output mesin perlahan lahan, maka power factor akan cenderung menuju ke kapasitif (leading) dan memungkinkan terjadinya reverse power. Untuk menghindari tersebut maka setelah sinkron penguatan excitasi dulu yang dinaikkan sampai cosphi menunjuk 0,7. seiring dengan itu naikkan daya mesin dengan menaikkan speed adjuster. Pada saat beban naik, cosphi akan naik membesar mendekati satu. Pada saat bersamaan excitasi diatur mencapai nilai 0,7 demikian seterusnya sampai mencapai nilai yang diinginkan misalnya 1000 kw pada cos φ 0,85. 2. Mempunyai Urutan Phase Yang Sama Yang dimaksud urutan phase adalah arah putaran dari ketiga phase. Arah urutan ini dalam dunia industri dikenal dengan nama CW ( clock wise) yang artinya searah jarum jam dan CCW (counter clock wise ) yang artinya berlawanan dengan jarum jam. Hal ini dapat diukur dengan alat phase sequence type jarum. Dimana jika pada saat mengukur jarum bergerak berputar kekanan dinamakan CW dan jika berputar kekiri dinamakan CCW. Disamping itu dikenal juga urutan phase ABC dan CBA. ABC identik dengan CW sedangkan CBA identik dengan CCW. Perlu diketahui bahwa dalam banyak generator mencantumkan symbol R,S,T,N ataupun L1,L2,L3,N namun tidak selalu berarti bahwa urutan CW / ABC itu 23

berarti RST atau L1L2L3 jika diukur urutan STR, TRS,L2L3L1 itu juga termasuk CW/ABC. Sebagai contoh : jika kabel penghantar yang keluar dari generator diseragamkan semua berwarna hitam dan tidak ada kode sama sekali, apakah kita bisa membedakan secara visual atau parameter listrik bahwa penghantar itu phasenya R, S, atau T tentu tidak. Kita hanya bisa membedakan arah urutannya saja CW atau CCW. Apapun generatornya jika mempunyai arah urutan yang sama maka dapat dikatakan mempunyai salah satu syarat dari parallel generator. Sehingga bisa jadi pada dua generator yang sama urutan RST pada genset 1 dapat dihubungkan dengan phase STR pada Genset 2 dan itu tidak ada masalah asal keduanya mempunyai arah urutan yang sama. 3. Mempunyai Frekuensi Antar Genset Yang Sama Didalam dunia industri dikenal 2 buah system frekuensi yaitu 50 hz dan 60 Hz. Dalam operasionalnya sebuah genset bisa saja mempunyai frekuensi yang fluktuatif (berubah ubah) karena factor factor tertentu. Pada jaringan distribusi dipasang alat pembatas frekuensi yang membatasi frekuensi pada minimal 48,5 hz dan maksimal 51,5 Hz. Namun pada genset genset pabrik over frekuensi dibatasi sampai 55 Hz sebagai overspeed. Pada saat hendak parallel, dua buah genset tentu tidak mempunyai frekuensi yang sama persis. Jika mempunyai frekuensi yang sama persis maka genset tidak akan bisa parallel karena sudut phasanya belum match, 24

salah satu harus dikurang sedikit atau dilebihi sedikit untuk mendapatkan sudut phase yang tepat. Setelah dapat disinkron dan berhasil sinkron baru kedua genset mempunyai frekuensi yang sama sama persis. 4. Mempunyai Sudut Phase Yang Sama Mempunyai sudut phase yang sama bisa diartikan, kedua phase dari 2 genset mempunyai sudut phase yang berhimpit sama atau 0 derajat. Dalam kenyataannya tidak memungkinkan mempunyai sudut yang berhimpit karena genset yang berputar meskipun dilihat dari parameternya mempunyai frekuensi yang sama namun jika dilihat menggunakan synchronoscope pasti bergerak labil kekiri dan kekanan, dengan kecepatan sudut radian yang ada sangat sulit untuk mendapatkan sudut berhimpit dalam jangka waktu0,5 detik. Breaker membutuhkan waktu tidak kurang dari 0,3 detik untuk close pada saat ada perintah close. Dalam proses sinkron masih diperkenankan perbedaan sudut maksimal 10 derajat. Dengan perbedaan sudut maksimal 10 derajat selisih tegangan yang terjadi berkisar 49 Volt. Gambar 3.2 proses pergeseran fasa antar bus dan genset 25

3.2.3. Pengaruh dan Akibat Yang ditimbulkan Apabila Syarat Syarat Sinkronisasi Genset Tidak Terpenuhi 1. Pada generator yang diparalel dengan PLN, maka apabila generator yang akan diparalel mempunyai tegangan lebih tinggi maka begitu breaker close generator tersebut mempunyai power factor yang rendah, namun tidak membahayakan karena power factor di PLN masih induktif dan berdaya besar.dan apabila jika generator itu mempunyai tegangan yang lebih rendah maka power factor akan bersifat kapasitif dan mempunyai kecenderungan akan terjadi reverse power. Reverse power dibatasi pada level 5 % dari daya nominal. Pada generator yang diparalel dengan generator pada saat sama sama belum berbeban, maka apabila tegangan lebih tinggi power factor akan rendah ( induktif) namun sebaliknya power factor genset yang lain akan juga rendah namun bersifat kapasitif. Hingga genset yang lain mempunyai kecenderungan reverse power. 2. Jika urutan phase tidak sama system ABC di parallel dengan system CBA, maka akan terjadi selisih tegangan sebesar 2 kali tegangan nominal,hal itu bisa dideteksi dengan diukur secara manual menggunakan voltmeter, pada saat synchronoscope menunjuk 0 derajat, terdapat selisih sebesar 2 x 400 V. 3. Jika frekuensi tidak sama diparalelkan maka akan terjadi beberapa kemungkinan yaitu dari yang paling ringan sampai yang paling 26

berat. Sebagai contoh generator 1 mempunyai frekuensi 49 Hz sedangkan generator 2 mempunyai frekuensi 50 Hz. Dengan melihat synchronoscope maka jarum akan berputar dengan kecepatan sudut 2 π r/ detik atau 1putaran/ detik. Jika pada saat masuk pas pada sudut nol maka generator yang memiliki frekuensi lebih rendah akan mengalami reverse power dimana pada saat terhubung sinkron fekuensi ada pada 49,5 Hz. Dan proteksi reverse power akan bekerja mengamankan, namun jika pada saat masuk sinkron pas posisi synchronoscope di sudut 180 derajat itu berarti terjadi selisih tegangan yang sangat besar disamping kemungkinan reverse juga terjadi kerusakan yang fatal terhadap generator, di breaker akan muncul arus yang besar dan menimbulkan percikan api yang besar dan diengine akan terjadi hunting sesaat. dan hal itu bisa mengakibatkan kerusakan mekanis sampai patah pada cransaft karena tekanan beban besar yang tiba tiba. 4. Jika sudut fase tidak sama namun kecenderungan frekuensi sama hanya akan menyebabkan hunting sesaat tanpa ada kemungkinan reverse power, namun juga sangat berbahaya jika berbeda sudutnya terlalu besar, engine akan mengalami tekanan sesaat hingga hunting. 27

3.3 Konstruksi Generator Sinkron Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik. Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem brushless excitation. 3.3.1. Bentuk Penguatan Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan Pilot Exciter sebagai penguatan atau menggunakan magnet 28

permanent (magnet tetap). Gambar 3.3 Generator sinkron 3 phasa dengan penguatan generator dc pilot exciter. 3.3.2. Bentuk Rotor Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol Gamabar 3.4 Bentuk rotor kutub menonjol & rotor kutub silinder 29

3.3.3. Bentuk Stator Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Gambar 3.5 Bentuk stator 30