BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Generator Generator merupakan mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik, Tenaga kinetik bisa berasal dari panas, air, uap, dll, Prinsip kerja generator tersebut adalah memanfaatkan adanya perubahan fluks magnetik (ΔΦB) sebagaimana yang dikemukakan oleh hukum induksi faraday. Gambar 2.1 Hukum Induksi Faraday Kecepatan perubahan fluks magnetik dalam suatau loop akan sebanding dengan GGL induksi yang timbul antara ujung-ujung loop suatu penghantar. 7
8 Mempunyai persamaan rumus = Φ...(2.1) Jika menggunakan persamaan di atas pada sebuah koil yang terdiri dari N lilitan, tegangan gerak elektriknya harus dijumlahkan. = Φ...(2.2) Dengan; : ggl induksi (V) Φ N : perubahan fluks magnetik (weber) : selang waktu (s) : Banyaknya lilitan kumparan Dari gambar 2.1, konsep hukum faraday bila konduktor digerakkan maju mundur antara kutub utara dan kutub selatan maka jarum galvanometer akan bergerak. Gerakan tersebut menunjukkan adanya gaya listrik yang dihasilkan. Arah dari gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada sebuah konduktor dalam medan magnet akan berubah dengan bertukarnya arah dari magnetic flux dan arah gerakan konduktor Hal ini dapat ditunjukkan dengan kaidah tangan kanan Fleming yaitu;
9 Gambar 2.2 Kaidah Tangan Fleming Kaidah tangan fleming mengatakan pernyataannya pada sebuah medan magnet yang berputar Apabila sebuah penghantar bergerak keluar memotong garis gaya magnet, maka gaya gerak listrik akan bergerak ke kiri. Sesuai dengan hukum tangan kanan, maka GGL induksi yang terbentuk pada sisi kumparan di daerah utara dan selatan arahnya berlawanan. Sedangkan tepat pada kedudukan kumparan tegak lurus fluks magnit, GGL induksi yang terbentuk pada masing masing sisi kumparan adalah nol 2.2 Jenis-Jenis Generator Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut bias arus searah atau arus bolak balik, hal ini tergantung dari susunan/konstruksi generator dan system pengambilan arusnya. Oleh sebab itu ada 2 macam generator : a) Generator arus searah. b) Generator arus bolak balik Setiap generator mempunyai karkteristik yang berbeda-beda, sesuai kebutuhan yang dinginkan oleh industri.
10 Gambar 2.3 Generator DC Gambar 2.4 Generator AC Pada studi analisis ini, generator yang digunakan pada PLTU Indramayu adalah generator AC 3 Phasa, dan mempunyai penguat medan magnet berupa Exiter ( Sistem Exsitasi). Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya
11 2.3 Generator AC Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) atau juga generator sinkron. Perubahan energi ini terjadi karena adanya perubahan medan magnet pada kumparan jangkar (tempat terbangkitnya tegangan pada generator). Alat ini sering dimanfaatkan di industri untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak. Berdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu : 1. Generator 1 fasa Generator yang dimana dalam sistem melilitnya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis dan dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan. Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U. 2. Generator 3 fasa Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya ada lilitan fasa yang ke satu ujungnya diberi tanda U X; lilitan fasa yang ke dua ujungnya diberi tanda dengan huruf V Y dan akhirnya ujung lilitan fasa yang ke tiga diberi tanda dengan huruf W Z. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan
12 dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. 2.4 Generator DC Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu: 1. Generator penguat terpisah 2. Generator shunt 3. Generator kompon 2.4.1 Generator Penguat Terpisah Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu: 1. Penguat elektromagnetik (Gambar 2.5.a) 2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 2.5.b) Gambar 2.5 Generator Penguat Terpisah
13 Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2 Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati harga nominalnya Grafik 2.1 Karakteristik Generator Penguat Terpisah Dari grafik untuk karaterisktik Generator penguat terpisah mempunyai kesimpulan, Karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus eksitasi, I adalah arus beban.tegangan output generator akan sedikit turun jika arus beban semakin besar.
14 Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar. Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil 2.4.2 Generator Shunt Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2). Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan magnet stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada gambar 2.7. Gambar 2.6 Diagram Generator Shunt Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung- singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.
15 Grafik 2.2 Karakteristik Generator Shunt Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada Grafik 2.2. Tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat terpisah. Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon 2.4.3 Generator Kompon Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan pada Gambar 2.7. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.
16 Gambar 2.7 Diagram Rangkaian Generator Kompon Grafik 2.3 Karakteristik Generator Kompon Grafik 2.3 menunjukkan karakteristik generator kompon. Tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik
17 2.5 Karakteristik Generator Arus Searah Medan magnet pada generator dapat dibangkitkan dengan dua cara yaitu dengan magnet permanen, dengan magnet remanen. Generator listrik dengan magnet permanen sering juga disebut magneto dynamo. Karena banyak kekurangannya, maka sekarang jarang digunakan. Sedangkan generator dengan magnet remanen menggunakan medan magnet listrik, mempunyai kelebihan-kelebihan yaitu, medan magnet yang dibangkitkan dapat diatur. Pada generator arus searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :...(2.3) Dimana : Ea = GGL yang dibangkitkan pada jangkar generator = Fluks per kutub z = Jumlah penghantar total n = Kecepatan putar e = Jumlah hubungan paralel...(2.4) Bila(Konstanta), maka...(2.5) Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu, 1. Generator Berpenguatan Bebas Generator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitan medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak tergantung dari mesin.
18 2. Generator Berpenguatan Sendiri Pada generator shunt, untuk penguatan sendiri diperlukan, adanya sisa magnetik pada sistem penguat hubungan dari rangkaian medan pada jangkar harus sedemikian, hingga arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada. Pembangkitan tegangan induksi pada generator berpenguatan sendiri, disini akan diterangkan pembangkitan tegangan induksi generator shunt dalam keadaan tanpa beban. Pada saat mesin dihidupkan (S tutup), timbul suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor, akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya tegangan induksi ini mengalirlah arus pada kumparan medan. Arus ini akan menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil. Jika tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan menjadi lebih kecil. Berarti makin besar tahanan kumparan medan, makin buruk generator tersebut.
19 2.6 Kontruksi Generator AC Gambar 2.8 Kontruksi Generator AC Adapun konstruksi generator AC adalah sebagai berikut: Rangka stator terbuat dari besi tuang, yang merupakan rumah stator tersebut. Stator Gambar 2.9 Belitan Stator Stator adalah bagian yang diam. Memiliki alur-alur sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai tempat GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi.
20 Rotor Gambar 2.10 Rotor Kutup Menonjol Gambar 2.11 Rotor Kutup Slinder Rotor adalah bagian yang berputar, pada bagian ini terdapat kutubkutub magnet dengan lilitannya yang dialiri arus searah, melewati cincin geser dan sikat-sikat. Cincin geser, terbuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini berputar bersama- sama dengan poros dan rotor. Generator penguat, Generator penguat merupakan generator arus searah yang dipakai sebagai sumber arus.
21 2.7 Kontruksi Generator DC Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 2.12 Kontruksi Generator DC Kontruksi generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Gambar 2.13 Struktur Generator DC
22 Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. 2.8 Prinsip Kerja Generator DC Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday, dengan lain perkataan, apabila suatu konduktor memotong garis-garis fluksi magnetik yang berubah-ubah, maka GGL akan dibangkitkan dalam konduktor itu. Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan GGL adalah harus ada konduktor ( hantaran kawat ) harus ada medan magnetik harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu...(2.6) dimana : N : Jumlah lilitan : Fluksi Magnet e : Tegangan imbas, GGL
23 Gambar 2.14 Prinsip Kerja Generator DC Keterangan gambar : Pada gambar Generator DC Sederhana dengan sebuah penghantar kutub tersebut, dengan memutar rotor ( penghantar ) maka pada penghantar akan timbul EMF. Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A- B dan C-D terletak tegak lurus pada arah fluks magnet. Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu putarnya yang sejajar dengan sisi A-B dan C-D. GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik Untuk menentukan arah arus pada setiap saat, berlaku pada kaidah tangan kanan : Ibu jari : gerak perputaran Jari telunjuk : medan magnetik kutub utara dan selatan Jari tengah : besaran galvanis tegangan U dan arus
24 2.9 Prinsip Kerja Generator AC Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat mesin induksi bekerja sebagai motor. ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul medan putar dengan kecepatan sinkron (ns). Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor motor diputar oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didalam medan magnet (kumparan stator) akan membangkitkan tegangan sebesar e = B. l. v...(2.7) Dimana : e B L V : tegangan induksi yang dihasilkan (volt) : fluks magnetik (weber) : panjang konduktor yang dilewati medan magnet (m) : kecepatan medan magnet melewati konduktor (m/s) Jika dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus. Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan medan magnet pada kumparan stator sehingga timbul arus pada kumparan stator sebagai reaksi atas gaya mekanik yang diberikan
25 2.10 Gangguan Generator 1. Gangguan di luar Generator Terdapat hubung pendek, mechanical stress pada gulungan stator. Gangguan ini dapat menimbulkan asimetri, vibrasi besar dan rotor menjadi overheating. 2. Thermal Loading Pembebanan yang berlebih pada generator akan mengakibatkan kenaikan temperatur gulungan stator (overheating) sampai isolasi menjadi rusak, sehingga usia pemakaiannya menjadi lebih pendek. Temperatur naik juga disebabkan oleh adanya kegagalan sistem pendingin. 3. Beban Tak Seimbang (Unbalanced Loading) Generator memikul beban tak seimbang terus menerus, atau arus yang di terimanya melebihi 10% dari rating arus, kemudia adanya arus eddy yang besar pada rotor ini akan menaikkan temperatur rotor dengan cepat sehingga mengakibatkan overheating. Arus stator tak seimbang juga akan menimbulkan vibrasi besar dan memanaskan stator. 4. Gangguan antar (inter) belitan Stator Hubung pendek antar belitan stator dalam satu coil dapat terjadi apabila stator terbuat dari multi turn coil. Gangguan semacam ini berkembang karena adanya surge arus yang masuk dengan bagian depan gelombang yang curam, yang menyebabkan suatu tegangan tinggi melewati belitan pada jalan masuk belitan stator.
26 5. Gangguan Belitan Medan (Field Winding atau rotor) Gangguan rotor, termasuk gangguan antar gulungan rotor dan konduktor ke tanah umumnya disebabkan mekanikal atau temperature stress. Gangguan tanah yang kedua akan menghubung singkat sebagian belitan dan menghasilkan sistem medan tak simetris, memberikan gaya tak seimbang pada rotor, akan menyebabkan tekanan yang berlebihan pada bantalan dan distorsi poros, dan rotor akan bergetar. Dimana : R U Q = Tahanan isolasi minimal. = Tegangan kerja. = Tegangan Megger. 1000 = Bilangan tetap. ( 1000. U ) R = U 2,5 Q 2,5 = Faktor Keamanan (apabila baru). 6. Kehilangan Eksitasi (Loss of Field)...(2.8) Berakibat hilangnya sinkronisasi dan kecepatan merangkak naik, Penyebabnya karena terbukanya sakelar medan (field cirkuit breaker). Kehilangan eksitasi dapat terjadi karena adanya circuit terbuka dalam circuit medan atau ganguan dalam AVR (Automatic Voltage Regulator). Hal ini akan menyebabkan overheating belitan stator dan rotor. Arus yang tinggi ini dapat menyebabkan tegangan jatuh dan overheating belitan stator.
27 2.11 Putaran Generator Pada PLTU membutuhkan putaran generator yang sangat tinggi 3000 Rpm, karena mempunyai kapasitas yang besar dan terkait efisiensi pemanfaatan energi, dibandingkan PLTA yang mempunyai kapasitas daya terpasang lebih rendah. Energi yang dibutuhkan untuk memutar generator pada PLTA, tergantung pada musim, yang hanya membutuhkan kecapatan stabil dibawah 3000 Rpm, Berbeda jauh dengan PLTU yang tidak terpanguruh oleh musim, hanya saja energi yang dibutuhkan oleh PLTU ketersedian bahan bakar. Kecepatan putaran generator akan mempengaruhi sistem Frekuensi yang ada pada generator, untuk dindonesia itu sendiri frekuensi sistem yang diijinkan adalah 50 Hz. Sesuai persamaan berikut, = 120....(2.9) Keterangan N f p : Jumlah putaran (Rpm) : Frekuensi (Hz) : Jumlah Kutub 120 : Koefisien tetap putaran Jumlah kutub (pole) ditentukan dari manufacture, yang didesain sesuai kebutuhan, untuk menghasilkan putaran 3000 Rpm, maka manufacture
28 menyediakan jumlah kutub sebanyak 2, dengan frekuensi 50 Hz sebagai sistem jaringan. 2.12 Pendingin Generator Pendingin merupakan sistem utama pada mesin yang berputar, parameter sistem pendingin di PLTU untuk Generator, Sistem pendinginan generator menggunakan gas hidrogen (H2) sebagai medium jauh lebih efektif dibandingkan mendinginkan generator menggunakan udara, Untuk menyerap dan membuang panas (disipasi) yang timbul didalam alternator yang sedang beroperasi dapat menggunakan media pendingin Tabel 2.1 Parameter pendingin generator Nama Sistem Nilai Satuan Keterangan 36 m 3 /s Range Aliran Hidrogen 2430 kw Loses yang dijinkan 0,3 Mpa Range Tekanan 4 Group Coolers Slot 60 m 3 /h Total Range Aliran (Winding) 9 m 3 /h Aliran yang dijinkan koneksi coolers Deionized water 1135 kw Loses yang dijinkan 2 pieces Coolers Slot 38 C Range temperature Raw water 325 m 3 /h Hydrogen untuk coolers 120 m 3 /h Laju aliran untuk water coolers
29 Gambar 2.15 Box Cooler Generator Bagian diatas merupakan parameter pendingin generator, yang cara kerjanya berbeda-beda, namun disamping pendingin generator, ada seal atau perapat yang berfungsi untuk menjaga agar H2 tidak bocor dari generator saat beroperasi dengan memanfatkan pressure. 2.13 Proses Pendingin Generator Sistem pendingin generator pada PLTU Indramayu menggunakan media H2 ( Hidrogen ), untuk pendinginan di dalam generator lebih tepatnya di rotor generator, sedangkan stator, atau lebih tepatnya stator winding, didinginkan oleh air demineralisasi ( demin water), dari proses tersebut ada 2 hal yang didinginkan yaitu stator dan rotor. Untuk stator winding, media yang di pakai adalah air demineralisasi, prosesnya menggunakan peralatan sistem Stator Cooling Generator System stator cooling generator berfungsi untuk memompakan aliran
30 fluida water menuju box cooler generator untuk memindahkan menukar panas didalam stator winding, menuju panas keluar dari stator winding. Gambar 2.16 Sistem Stator Cooling Generator Setelah panas berpindah dengan memakai sistem close cooling ( siklus tertutup) maka harus didinginkan kembali dengan media air laut, karena air laut mempunyai temperature yang sesuai untuk mendinginkan air demin, dengan menggunakan Main Heat Exchanger, maka panas yang ditampung oleh stator pendingin distator cooling akan berpindah pada main exchanger. Gambar 2.17 Prinsip Kerja Heat Exchanger
31 Gambar 2.18 Flow Rate Heat Exchanger Heat exchanger tipe plate ini kemampuan perpindahan panasnya, sangat tergantung dari kecepatan flow dan banyaknya plate pada Heat exchanger, semakin banyak plate dan kecepatan maka semakin cepat juga perpindahan panas yang di tukarkan.