MODUL 3 TEKNIK TENAGA LISTRIK PRODUKSI ENERGI LISTRIK (1)

MODUL 3 TEKNIK TENAGA LISTRIK PRODUKSI ENERGI LISTRIK (1) 1. 1. SISTEM TENAGA LISTRIK 1.1. Elemen Sistem Tenaga Salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untuk mengirimkan energi adalah melalui bentuk energi listrik. Pada pusat pembangkit, sumberdaya energi primer seperti bahan bakar fosil (minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanis yang dihasilkan pada poros turbin menjadi energi listrik. Melalui transformator penaik tegangan ( step-up transformer), energi listrik ini kemudian dikirimkan melalui saluran transmisi bertegangan tinggi menuju pusatpusat beban. Peningkatan tegangan dimaksudkan untuk mengurangi jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisi yang dengan demikian berarti rugi-rugi panas ( heat-loss) I 2 R dapat dikurangi. Ketika saluran transmisi mencapai pusat beban, tegangan tersebut kembali diturunkan menjadi tegangan menengah, melalui transformator penurun tegangan (step-down transformer). Di pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran distribusi, energi listrik ini diubah menjadi bentuk-bentuk energi terpakai lainnya seperti energi mekanis (motor), penerangan, pemanas, pendingin, dan sebagainya. Satuan listrik : Arus listrik (I) => ampere Tegangan listrik (V) = beda potensial => volt Tahanan (R) = resistansi => ohm Reaktansi (X)=> ohm Impedansi (Z)= R jx => ohm PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 1

Daya (S) = P jq => volt ampere Daya aktif (P) => watt Daya reaktif (Q) => volt ampere reaktif Energi (E) => watt-hour (watt-jam) Faktor daya (cos ) => tidak ada satuan 1.2. Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU) Pembangkit listrik jenis ini memanfaatkan bahan bakar minyak, gas alam, atau batubara untuk membangkitkan panas dan uap pada BOILER. Uap ini kemudian dipergunakan untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung dengan sebuah generator sinkron. Uap yang telah melalui turbin kemudian menjadi uap bertekanan dan bersuhu rendah. Uap ini kemudian dilewatkan melalui kondenser yang menyerap panas uap tersebut sehingga uap tersebut berubah menjadi air yang kemudian dipompakan kembali menuju boiler. 1.3. Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG) Sebagaimana halnya Pusat Listrik Tenaga Diesel, PLTG merupakan mesin dengan proses pembakaran dalam ( internal combustion). Bahan baker berupa minyak atau gas alam dibakar di dalam ruang pembakar ( combustor). Udara yang memasuki kompresor setelah mengalami tekanan bersama-sama dengan bahan baker disemprotkan ke ruang pembakar untuk melakukan proses pembakaran. Gas panas sebagai hasil pembakaran ini kemudian bekerja sebagai fluida yang memutar roda turbin yang terkopel dengan generator sinkron. 1.4. Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) Pada reactor air tekan ( pressurized water reactor) terdapat dua rangkaian yang seolah-olah terpisah. Pada rangkaian pertama bahan baker uranium-235 yang diperkaya dan tersusun dalam pipa-pipa berkelompok, disundut untuk menghasilkan panas dalam reactor. Karena air dalam bejana penuh, maka tidak terjadi pembentukan uap, melainkan air menjadi panas dan bertekanan. Air PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 2

panas yang bertekanan tersebut kemudian mengalir ke rangkaian kedua melalui suatu generator uap yang terbuat dari baja. Generator uap ini kemudian menghasilkan uap yang memutar turbin dan proses selanjutnya mengikuti siklus tertutup sebagaimana berlangsung pada turbin uap PLTU. 1.5. Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA) Penggunaan tenaga air mungkin merupakan bentuk konversi energi tertua yang pernah dikenal manusia. Perbedaan vertical antara batas atas dengan batas bawah bendungan di mana terletak turbin air, dikenal sebagai tinggi terjun. Tinggi terjun ini mengakibatkan air yang mengalir akan memperoleh energi kinetic yang kemudian mendesak sudu-sudu turbin. Bergantung kepada tinggi terjun dan debit air, dikenal tiga macam turbin yaitu: Pelton, Francis dan Kaplan. 2. 2. DASAR ELEKTROMEKANIK 2.1. Konversi Energi Elektromekanik Konversi energi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubah dari satu system ke system lainnya, sementara akan tersimpan pada medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi system lainnya. Dengan demikian, medan magnet di sini selain berfungsi sebagai tempat penyimpanan energi juga sekaligus sebagai medium untuk mengkopel perubahan energi. Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi elektromekanik dapat dinyatakan sebagai berikut (untuk motor): (Energi Listrik sebagai input) = (Energi Mekanik sebagai output + Energi panas) + (Energi pada medan magnet dan rugi-rugi magnetic) atau dalam persamaan differensial, konversi energi dari elektris ke mekanis adalah sebagai berikut: dw E = dw M + dw F PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 3

Ini hanya berlaku ketika proses konversi energi sedang berlangsung pada keadaan dinamis yang transient. Untuk keadaan tunak, dimana fluks merupakan harga yang konstan, maka dw F = 0 dw E = dw M 2.2. Gaya Gerak Listrik Apabila sebuah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh ds memotong suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor dengan panjang efektif l adalah: d = B l ds Dari Hukum Faraday diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl) E = d /dt Maka e = B l ds/dt; dimana ds/dt = v = kecepatan Jadi, e = B l v 2.3. Kopel Arus listrik I yang dihasilkan di dalam suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B akan menghasilkan suatu gaya F sebesar: F = B I l Jika jari-jari rotor adalah r, maka kopel yang dibangkitkan adalah T = F r PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 4

Perlu diingat bahwa saat gaya F dibangkitkan, konduktor bergerak di dalam medan magnet da seperti diketahui akan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakan reaksi (lawan) terhadap tegangan penyebabnya. Agar proses konversi energi listrik menjadi energi mekanik (motor) dapat berlangsung, tegangan sumber harus lebih besar daripada gaya gerak listrik lawan. Begitu pula, suatu gerak konduktor di dalam medan magnet akan membangkitkan tegangan e = B l V dan bila dihubungkan dengan beban, akan mengalir arus listrik I atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik (generator). Arus listrik yang mengalir pada konduktor tadi merupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B). Interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerak mekanik yang diberikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, energi mekanik yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi. 2.4. Mesin Dinamik Elementer Pada umumnya mesin dinamik terdiri atas bagian yang berputar disebut rotor dan bagian yang diam disebut stator. Di antara rotor dan stator terdapat celah udara. Stator merupakan kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu dan rotor merupakan kumparan jangkar dengan belitan konduktor yang saling dihubungkan ujungnya (lihat gambar) untuk mendapatkan tegangan induksi (ggl). Jika kumparan rotor diputar dengan arah berlawanan dari arah jarum jam, tegangan akan dibangkitkan dengan arah yang berlawanan pada kedua ujung rotor yang tidak dihubungkan. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 5

Simulasi mesin dinamis (generator) dapat dilihat pada situs ini. http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/lesson/otherpub/wfendt/generator engl.htm 2.5. Interaksi Medan Magnet Kerja suatu mesin dinamis dapat juga dilihat dari segi adanya interaksi antar medan magnet stator dan rotor, yaitu: F = B I l Seperti diketahui, arus listrik (I) pada persamaan di atas akan menimbulkan fluks juga di sekitar konduktor yang dilalui. Bila kerapatan fluks akibat arus listrik dinyatakan dengan B s (pada stator), sedang kerapatan fluks akibat kumparan medan adalah B r (pada rotor), maka dapat dituliskan: T = K B r B s sin Dimana adalah sudut antara kedua sumbu medan magnet B r dan B s K adalah konstanta l x r Sudut dikenal sebagai sudut kopel atau sudut daya dengan harga maksimum = 90 o. Dengan menganggap B r dan B s sebagai fungsi arus rotor dan arus stator, persamaan kopel menjadi: T = K I r I s sin Dengan demikian, kopel terjadi sebagai interaksi antara dua medan magnet atau dua arus. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 6

2.6. Derajat Listrik Pada setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang ditimbulkan sudah menyelesaikan p/2 kali putaran. Maka untuk mesin 4 kutub, satu kali putaran mekanik mesin (360 o ) berarti sama dengan dua kali putaran listrik (720 o ). Persamaan umumnya adalah sebagai berikut: p = jumlah kutub mesin e = sudut listrik e = (p/2) m m = sudut mekanik 2.7. Frekuensi Dari persamaan di atas, diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan listrik yang dihasilkan, mesin telah menyelesaikan p/2 kali putaran. Karena itu frekuensi gelombang tegangan adalah: f = (p/2) (n/60) n = rotasi per menit n/60 = rotasi perdetik Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan n s = 120 (f/p) PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 7

Jadi misalnya untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50 putaran per detik dan mempunyai jumlah kutub p=2, maka kecepatan berputar mesin tersebut adalah: n s = (120 x 50)/2 = 3000 rpm. Sumber lainnya tentang elektromagnetik: http://www.physics.uiowa.edu/~umallik/adventure/induction.htm 3. MOTOR INDUKSI Motor induksi merupakan motor arus bolak balik (ac) yang paling luas penggunaannya. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relative antara putaran rotor dengan medan putar ( rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (n s = 120f/2p). Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun akan ikut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relative antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban, akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi, bila beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun. Dikenal dua tipe motor induksi yaitu motor induksi dengan rotor belitan dan rotor sangkar. PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 8

Gambar motor induksi. Sumber : http://www.automatedbuildings.com/news/jul01/art/abbd/abbd.htm PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR TEKNIK TENAGA LISTRIK & ELEKTRONIKA 9