BAB III LANDASAN TEORI 3.1 Dasar Teori Teori Dasar Ilmu Kelistrikan: A. Muatan Listrik Muatan listrik tidak dapat dilihat oleh mata tetapi efeknya dapat dirasakan dan diamati gejalanya. Besar muatan listrik proton dan electron adalah sama, tetapi jenisnya yang berbeda. Proton berjenis muatan positif ditandai dengan + sedangkan electron berjenis muatan negatif ditandai dengan -. B. Arus Listrik Menurut Prof, Yohanes Surya, Ph.D. (2009 : 96) arus adalah gerakan muatan positif. Muatan ini bergerak dari tempat yang berpotensial tinggi ke tempat yang berpotensial rendah. Menurut Sukis Wariyono (2008 : 129) arus listrik terjadi akibat usaha penyeimbangan potensial. Dengan demikian dapat dikatakan arus listrik seakan-akan berupa arus muatan positif. Arah arus listrik berasal dari tempat berpotensial tinggi ke tempat yang berpotensial rendah. Namun pada kenyataannya, muatan listrik yang dapat berpindah bukanlah muatan positif, melainkan muatan negative atau electron, karena itu terjadi sebenarnya adalah terjadinya aliran electron dari yang berpotensial rendah ke tempat yang berpotensial tinggi. Dapat kita simpulkan dari penjabaran tersebut bahwa arus listrik adalah mengalirnya electron pada konduktor yang terjadi akibat usaha penyeimbangan potensial. Arus listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal nagatif (-), sedangkan aliran listrik dalam kawat logam terdiri dari aliran electron yang bergerak dari 10
11 terminal negative (-) ke terminal positif (+), arah arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerak electron. Berikut adalah rumus dasar untuk mencari besar arus yang dihasilkan : I = Q t = P V. (3.1) Keterangan : I = arus listrik (Ampere) Q = muatan listrik (Coloumb) t = waktu (detik) P = daya listrik (Watt) V = beda potensial listrik (Volt) Pada suatu rangkaian listrik akan mengalir arus, apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut : 1. Adanyan sumber tegangan 2. Adanya alat penghubung 3. Adanya beban Hukum ohm pada suatu rangkaian tertutup, besarnya arus I berubah sebanding dengan tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R. Hukum Kirchoff pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di satu titik adalah nol (ΣI=0). Arus listrik dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu arus listrik searah (Direct Current) dan arus listrik bolak-balik (Alternating Current). Arus listrik searah (Direct Current atau DC ) adalah arus listrik yang memiliki aliran electron searah dari suatu titik ke titik lainnya. Sedangkan arus listrik bolak-balik ( Alternating Current atau AC) adalah arus listrik yang memilikibesar dan arah aliran electron berubah-ubah secara bolak-balik. Berbead dengan arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah
12 C. Tegangan Listrik Tegangan listrik (Voltage) dapat diartikan sebagai bedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik. Berikut adalah rumus untuk mencari tegangan listrik (Voltage) V = I x R (3.2) Keterangan : V = Tegangan ( Volt ) I = Kuat Arus ( ampere ) R = Hambatan (ohm) D. Hambatan Listrik Hambatan listrik adalah sesuatau yang menghambat aliaran listrik. Besar hambatan listrik dapat dicari dengan perbandingan antara beda potensial dan arus listrik yang melewatinya. Besarnya hambatanpun berbanding terbalik terhadap luas penampangnya dan juga besarnya tahanan konduktor sesuatu yang menghambat aliran. Berikut adalah rumus untuk mencari hambatan : R = V I = ρ x l A (3.3) Keterangan : R = Hambatan (Ω) ρ = Tahanan jenis kawat (Ω meter ) l = Panjang kawat (meter) A = penampang kawat (m 2 ) E. Energi Listrik Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berfungsi mengalirkan arus listrik. Berikut adalah rumus untuk mencari besar energi listrik yang dihasilkan: W = V x i x t = P x t (3.4) Keterangan : W = energi listrik (Joule) V = tegangan (Volt) I = kuat arus (Ampere) t = waktu (detik) P = daya listrik (Watt)
13 F. Daya Listrik Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Berikut adalah rumus dasar untuk mencari daya lisrik adalah sebagai berikut: P = V x i = W t. (3.5) Keterangan : P = daya listrik (Watt ) V = tegangan (Volt) I = kuat arus (Ampere) W = energi listrik (Joule) t = waktu (detik) Dalam sistem listrik arus bolak- balik (Alternating Current) ada tiga jenis daya, yaitu: a. Daya semu (S, VA, Volt Amper) Daya semu merupakan daya listrik yang melalui suatu penghantar transmisi atau distribusi. Berikut adalah rumus dari perhitungan daya semu: Line to Netral (1 phase) : S = V x I.. (3.6) Line to line (3 phase) : S = 3 x V x I (3.7) Keterangan : S = daya semu (Volt Amper) V = tegangan (Volt) I = arus pada penghantar (Ampere) b. Daya aktif (P, W, Watt ) Daya nyata merupakan daya listrik yang digunakan untukkeperluan menggerakkan mesin-mesin listrik atau peralatan lainnya. Berikut adalah rumus dari perhitungan daya aktif: Line to netral (1 phase): P = V x I x Cos. (3.8) Line to line (3 phase) : P = 3 x V x I x Cos (3.9)
14 Keterangan : P = Daya nyata (Watt) V = Tegangan (Volt) I = Arus pada penghantar (Ampere) cos = Faktor daya c. Daya reaktif (Q, VAR, Volt Amper Reaktif) Daya reaktif merupakan selisih antara daya semu yang masuk pada penghantar dengan daya aktif pada penghantar itu sendiri, dimana daya ini terpakai untuk daya mekanik dan panas. Berikut adalah rumus dari perhitungan daya aktif sebagai berikut : Line to netral ( 1 phase ): P = V x I x Sin. (3.10) Line to line ( 3 phase ) : P = 3 x V x I x Sin (3.11) Keterangan : P = Daya Nyata (Watt) V = Tegangan (Volt) I = Arus pada penghantar (Ampere) Sin = Faktor Daya No Break Transfer (NBT) No Break Transfer Switch adalah memparalelkan atau menggabungkan sesaat, sumber power dari dua generator atau lebih dengan PLN untuk menghindari terjadinya kedip pada saat pemindahan sumber power dari generator ke PLN atau sebaliknya. Dengan proses sinkron secara otomatis untuk memikul beban gedung yang ada. 3.2 Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (Genset) Pembangkit Lisrik Tenaga Diesel (PLTD/GENSET) lebih cocok digunakan untuk industri dibandingkan dengan jenis pembangkit listrik lain, seperti pembangkit listrik tenaga uap, gas dan sebagainya karena pemeliharaannya dan perawatannya lebih mudah dibandingkan pembangkit listrik lainnya. Mesin Diesel termasuk mesin dengan pembakaran dalam atau disebut motor bakar ditinjau dari cara memperoleh energi thermalnya. Untuk
15 membangkitkan listrik sebuah mesin diesel menggunakan generator dengan sistem penggerak tenaga diesel atau yang biasa dikenal dengan sebutan Genset (Generator Set). 1. Kekurangan dan Kelebihan Keuntungan pemakaian mesin diesel sebagai Prime Mover: a) Design dan instalasi sederhana b) Auxilary equipment sederhana c) Waktu pembebanan relatif singkat d) Konsumsi bahan bakar relatif murah dan hemat Kerugian pemakaian mesin diesel sebagai Prime Mover: a) Bobot mesin sangat berat karena harus dapat menahan getaran serta kompresi yang tinggi. b) Starting awal berat, karena kompresinya tinggi yaitu sekitar 200 bar. c) Semakin besar daya maka mesin diesel tersebut dimensinya makin besar pula, hal tersebut menyebabkan kesulitan jika daya mesinnya sangat besar. 2. Komponen Utama Ada 2 komponen utama pada Genset, yaitu: a) Prime Mover atau penggerak mula, dalam hal ini mesin diesel/engine. b) Generator 3. Cara Kerja Mesin Diesel (Genset) Prime Mover merupakan peralatan yang mempunyai fungsi menghasilkan energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Pada mesin diesel/engine terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan udara murni yang dimampatkan di dalam silinder pada tekanan yang tinggi (± 30 atm), sehingga temperatur di dalam silinder naik. Dan pada saat itu bahan bakar disemprotkan dalam silinder yang bertemperatur dan bertekanan
16 tinggi melebihi titik nyala bahan bakar sehingga akan menyala secara otomatis. Pada mesin diesel penambahan panas atau energi senantiasa dilakukan pada tekanan yang konstan. Pada mesin diesel, piston melakukan 2 langkah pendek menuju kepala silinder pada setiap langkah daya. Adapun cara kerja mesin diesel adalah sebagai berikut: a) Langkah ke atas yang pertama merupakan langkah pemasukan dan penghisapan, disini udara dan bahan bakar masuk sedangkan poros engkol berputar ke bawah. b) Langkah kedua merupakan langkah kompresi, poros engkol terus berputar menyebabkan torak naik dan menekan bahan bakar sehingga terjadi pembakaran. Kedua proses ini (1 dan 2) termasuk proses pembakaran. c) Langkah ketiga merupakan langkah ekspansi dan kerja, disini kedua katup yaitu katup isap dan katup buang tertutup, sedangkan poros engkol terus berputar dan menarik kembali torak ke bawah. d) Langkah ke empat merupakan langkah pembuangan, disini katup buang terbuka dan menyebabkan gas akibat sisa pembakaran terbuang keluar. Gas dapat keluar karena pada proses keempat ini torak kembali bergerak naik ke atas dan menyebabkan gas dapat keluar. Kedua proses terakhir ini (3 dan 4) termasuk proses pembuangan. e) Setelah keempat proses tersebut, maka proses berikutnya akan mengulang kembali proses yang pertama, dimana udara dan bahan bakar masuk kembali.
17 Berdasarkan kecepatan proses kerja mesin disel, dapat digolongkan menjadi 3 bagian: a) Diesel kecepatan rendah (n<400 rpm) b) Diesel kecepatan menengah (400<n<1000 rpm) c) Diesel kecepatan tinggi (n>1000 rpm) 4. Sistem Starting Sistem starting adalah proses untuk menghidupkan atau menjalankan mesin diesel. Ada 3 macam sistem starting yaitu: a) Sistem Start manual Sistem start ini dipakai untukmesin diesel dengan daya yang relatif kecil yaitu < 30 PK. Cara untuk menghidupkan mesin diesel pada sistem ini adalah dengan menggunakan penggerak engkol atau poros hubung yang akan digerakan oleh tenaga manusia. Jadi sistem start ini sangat bergantung pada faktor manusia sebagai operatornya. b) Sistem Start Elektrik Sistem ini dipakai oleh mesin diesel yang memiliki daya sedang yaitu < 500 PK. Sistem ini menggunakan motor DC dengan suplai listrik dari baterai/accu 12 atau 24 Volt untuk menstart diesel. Saat start, motor DC mendapat suplai listrik dari baterai atau accu dan menghasilkan torsi yang dipakai untuk menggerakan diesel sampai mencapai putaran tertentu. Baterai atau accu yang dipakai harus dapat dipakai untuk menstart sebanyak 6 kali tanpa diisi kembali, karena arus start yang dibutuhkan motor DC cukup besar, maka dipakai dinamo yang berfungsi sebagai generator DC. Pengisian ulang baterai atau accu digunakan alat bantu berupa battery charger dan pengaman tegangan. Pada saat diesel tidak bekerja, maka battery charger
18 mendapat suplai listrik dari PLN, sedangkan pada saat diesel bekerja maka suplai dari battery charger didapat dari generator. Fungsi dari pengaman tegangan adalah untuk memonitor tegangan baterai atau accu. Sehingga apabila tegangan dari baterai atau accu sudah mencapai 12 atau 24 Volt, yang merupakan tegangan standarnya, maka hubungan antara battery charger dengan baterai atau accu akan diputus oleh pengaman tegangan. c) Sistem Start Kompresi Sistem start ini dipakai oleh diesel yang memiliki daya besar yaitu > 500 PK. Sistem ini memakai motor dengan udara bertekanan tinggi untuk start dari mesin diesel. Cara kerjanya yaitu dengan menyimpan udara kedalam suatu botol udara. Kemudian udara tersebut dikompresi sehingga menjadi udara panas dan bahan bakar solar dimasukkan ke dalam Fuel Injection Pump serta disemprotkan lewat nozzle dengan tekanan tinggi. Akibatnya akan terjadi pengkabutan dan pembakaran diruang bakar. Pada saat tekanan di dalam tabung turun sampai batas minimum yang ditentukan, maka kompressor akan secara otomatis menaikkan tekanan udara di dalam tabung hingga tekanan dalam tabung mencukupi dan siap dipakai untuk melakukan starting mesin diesel. 3.3 Generator Generator adalah mesin yang dapat mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik melalui proses induksi elektromagnetik. Generator ini memperoleh energi mekanis dari prime mover. Generator arus bolak-balik (AC) dikenal dengan sebutan alternator. Generator diharapkan dapat mensuplai tenaga listrik pada saat terjadi gangguan, dimana suplai tersebut digunakan untuk beban prioritas. Sedangkan Genset (Generator Set)
19 merupakan bagian dari generator. Genset merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Genset atau sistem generator penyaluran adalah suatu generator listrik yang terdiri dari panel, berenergi solar dan terdapat kincir angin yang ditempatkan pada suatu tempat. Genset dapat digunakan sebagai system cadangan listrik atau off-grid (sumber daya yang tergantung atas kebutuhan pemakai). Genset sering digunakan oleh rumah sakit dan industri yang mempercayakan sumber daya listrik yang mantap, seperti halnya area pedesaan yang tidak ada akses untuk secara komersial menghasilkan listrik. Gambar 3.1 Genset Caterpillar 3516B Stand by 3.4 AMF dan ATS Bila Anda memiliki backup power atau memiliki catu daya lebih dari satu semisal anda menggunakan sumber dari PLN dan di Back-up oleh Genset (generator-set) tentu sering sekali harus secara bergantian untuk menggunakannya, pada kebiasaannya banyak menggunakan handle Cam Switch atau sering dinamakan COS (Change Over Switch) untuk memindah kontak sumber daya tersebut, pada pabrik pabrik zaman dulu juga seringnya menggunakan saklar cam untuk memindahkan daya, Hal tersebut berarti di anggap secara manual dan membutuhkan operator dalam mengoprasikan pemindah daya tersebut, dalam perkembangan tekhnologi dunia elektrikal akhirnya merekayasa hal tersebut kemudian di jalankan secara Automatic
20 yang di singkat ATS ( Auto Transfer Swith ) yang di fungsikan secara Automatic untuk memindahkan daya sesuai dengan kebutuhan tanpa menggunakan tenaga manusia untuk mengoprasikannya, pada kebiasaanya ATS akan di sertakan pula AMF (Automatic Main Failure) atau sering di jelaskan sebagai kontrol kendali terhadap generator back-up atau perintah kendali hidup mati mesin Generator, dalam beberapa jenis ATS di bedakan menurut kapasitas daya yang di butuhkan atau berdasar Phasa dan Ampere yang melalui panel tersebut, namun untuk perinsip kerjanya sama. Jadi, AMF merupakan alat yang berfungsi menurunkan downtime dan meningkatkan keandalan sistem catu daya listrik. AMF dapat mengendalikan transfer Circuit Breaker (CB) atau alat sejenis, dari catu daya utama (PLN) ke catu daya cadangan (Genset) dan sebaliknya, ATS merupakan pelengkap dari AMF dan bekerja secara bersama-sama. ATS atau Automatic Transfer Switch, yaitu proses pemindahan sumber listrik yang satu ke sumber listrik yang lain secara bergantian sesuai perintah pemrograman, ATS adalah pengembangan dari COS atau yang biasa disebut secara jelas sebagai Change Over Switch, beda keduanya adalah terletak pada sistim kerjanya, untuk ATS kendali kerja dilakukan secara otomatis, sedangkan COS dikendalikan atau dioperasikan secara manual. Cara Kerja AMF dan ATS: -Automatic Main Failure (AMF) dapat mengendalikan transfer suatu alat dari suplai utama ke suplai cadangan atau dari suplai cadangan ke suplai utama. AMF akan beroperasi saat catu daya utama (PLN) padam dengan mengatur catu daya cadangan (Genset). AMF dapat mengatur Genset beroperasi jika suplai utama dari PLN mati dan memutuskan Genset jika suplai utama dari PLN hidup lagi. -Sistim kerja panel ATS dan AMF yang sering kita temukan adalah kombinasi untuk pertukaran sumber baik dari Genset ke pln maupun sebaliknya, bilamana suatu saat sumber listrik dari PLN tiba-tiba padam, maka AMF bertugas untuk menjalankan diesel Genset sekaligus memberikan proteksi terhadap sistim Genset, baik proteksi terhadap unit mesin/engine yang berupa pengamanan terhadap gangguan rendahnya tekanan minyak pelumas (Low Oil Pressure) maupun kondisi temperatur
21 mesin serta media pendinginannya, dan juga memberikan perlindungan terhadap unit Generatornya, baik berupa pengamanan terhadap beban pemakaian yang berlebih maupun perlindungan terhadap karakter listrik lain seperti tegangan maupun frequensi Genset, apabila parameter yang diamankan melebihi batasan normal/setting maka tugas ATS adalah melepas hubungan arus listrik ke beban sedangkan AMF bertugas untuk memberhentikan kerja mesin. Apabila generator yang dijalankan beroperasi dengan baik, berikutnya ATS bertugas memindahkan sambungan dari sebelumnya yang tersambung dengan PLN dipindahkan secara otomatis ke sisi generator sehingga aliran listrik bisa tersambung ke sisi pengguna. Modul AMF yang terpasang di genset Mall Senayan City, merk ComAp type InteliGen-NT buatan Czech Republic. Gambar 3.2 Modul AMF ComAp InteliGen NT 3.5 UPS (Uninterruptible Power Supply) Uninterruptible Power Supply (UPS) merupakan sistem Penyedia daya listrik yang sangat penting dan diperlukan sekaligus dijadikan sebagai benteng dari kegagalan daya serta kerusakan sistem dan hardware. UPS akan menjadi sistem yang sangat penting dan sangat diperlukan pada banyak perusahaan penyedia jasa telekomunikasi, jasa informasi, penyedia jasa internet dan banyak lagi.
22 Dapat dibayangkan berapa besar kerugian yang timbul akibat kegagalan daya listrik jika sistem tersebut tidak dilindugi dengan UPS. 1. Fungsi Utama UPS Uninterruptible Power Supply memiliki beberapa fungsi utama, diantaranya: a) Dapat memberikan energi listrik sementara ketika terjadi kegagalan daya pada listrik utama. b) Memberikan kesempatan waktu yang cukup untuk segera menghidupkan Genset (sistem daya darurat) sebagai pengganti listrik utama. c) Memberikan kesempatan waktu yang cukup untuk segera melakukan backup data dan mengamankan sistem operasi (OS) dengan melakukan shutdown sesuai prosedur ketika listrik utama padam. d) Mengamankan sistem komputer dari gangguangangguan listrik yang dapat mengganggu sistem komputer baik berupa kerusakan software, data maupun kerusakan hardware. e) UPS secara otomatis dapat melakukan stabilisasi tegangan ketika terjadi perubahan tegangan pada input sehingga tegangan output yang digunakan oleh sistem komputer berupa tegangan yang stabil. f) UPS dapat melakukan diagnosa dan manajemen terhadap dirinya sendiri sehingga memudahkan pengguna untuk mengantisipasi jika akan terjadi gangguan terhadap sistem. g) User friendly dan mudah dalam installasi. h) User dapat melakukan kontrol UPS melalui jaringan LAN (Local Area Network) dengan menambahkan beberapa accessories yang diperlukan. i) Dapat diintegrasikan dengan jaringan internet.
23 j) Notifikasi jika terjadi kegagalan dengan melakukan setting software UPS manajemen. 2. Cara Kerja UPS UPS bekerja berdasar kepekaan tegangan. UPS akan menemukan penyimpangan jalur voltase (linevoltage) misalnya, kenaikan tajam, kerendahan, gelombang dan juga penyimpangan yang disebabkan oleh pemakaian dengan alat pembangkit tenaga listrik yang murah. Karena gagal, UPS akan berpindah ke operasi on-battery atau baterai hidup sebagai reaksi kepada penyimpangan untuk melindungi bebannya (load). Jika kualitas listrik kurang, UPS mungkin akan sering berubah ke operasi onbattery. Kalau beban bisa berfungsi dengan baik dalam kondisi tersebut, kapasitas dan umur baterai dapat bertahan lama melalui penurunan kepekaan UPS. Fungsi UPS bukanlah sebagai pengganti sumber listrik, dalam pegertian anda dapat menggunakan UPS untuk selamanya sebagai pengganti sumber listrik utama. Waktu maksimal yang diberikan tergantung dari jenis baterai yang dimilikinya. Umumnya waktu 15 30 menit sudah cukup baik. UPS yang terpasang untuk back up power sistem kontrol NBT dan charge spring yang ada di ACB untuk system panel kontrol genset. Gambar 3.3 UPS (Uninterruptible Power Supply)