Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama)

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

TUGAS AKHIR

STUDI SISTEM EKSITASI DENGAN MENGGUNAKAN

PERMANENT MAGNET GENERATOR

(APLIKASI PADA GENERATOR SINKRON DI PLTD

PT. MANUNGGAL WIRATAMA)

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh :

030402064

ENNOPATI PANE

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

STUDI SISTEM EKSITASI DENGAN MENGGUNAKAN PERMANENT MAGNET GENERATOR

(APLIKASI PADA GENERATOR SINKRON DI PLTD PT. MANUNGGAL WIRATAMA)

Oleh :

030402064 ENNOPATI PANE

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro

Disetujui oleh : Dosen Pembimbing,

NIP. 130353117 Ir. Mustafrind Lubis

Diketahui oleh :

a.n Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

NIP. 132161239 Rahmad Fauzi, ST, MT

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

ABSTRAK

Generator adalah suatu perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator sinkron memiliki kumparan medan yang terletak pada bagian rotor dan kumparan jangkar pada stator.

Kumparan medan yang terdapat pada rotor generator sinkron diberi penguatan (eksitasi). Eksitasi pada Generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan medan yang terdapat pada rotor, dengan adanya arus yang mengalir melalui kumparan medan akan menimbulkan fluks magnetik. Rotor diputar oleh penggerak mula dengan kecepatan tertentu, perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Fluks magnet kutub-kutub rotor akan memotong kumparan jangkar secara bergantian sehingga menghasilkan GGL bolak-balik pada ujung-ujung konduktor stator.

Sistem eksitasi generator sinkron di PLTD PT. Manunggal Wiratama menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG), dimana PMG menyedikan daya awal untuk proses eksitasi. Permanent Magnet Generator adalah sebuah generator kecil , dimana rotornya merupakan magnet permanen yang terletak seporos dengan generator utama, sedangkan pada statornya terdapat belitan jangkar sebagai tempat dihasilkannya tegangan induksi dari magnet permanen yang berputar.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul : STUDI SISTEM EKSITASI DENGAN MENGGUNAKAN PERMANENT MAGNET GENERATOR (APLIKASI PADA GENERATOR SINKRON DI PLTD PT. MANUNGGAL WIRATAMA).

Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada :

1. Ayahanda A. Pane (Alm), Ibunda G. Hasibuan, abang saya Jonri Pane, kakak saya Hernawati Pane dan keluarga, kedua adik saya Sudi Baik Pane dan Romei Pane yang tidak pernah berhenti memberi dukungan, semangat dan doanya kepada saya dengan segala pengorbanan dan kasih sayang yang tidak ternilai besarnya.

2. Bapak Ir. Mustafrind Lubis selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

3. Bapak Almarhum Ir. Nasrul Abdi. MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro dan Bapak Rahmat Fauzi ST. MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.

4. Bapak Teguh Hardiansyah. ST selaku staf Supervisor di PT. Manunggal Wiratama (Sun Plaza) dan Bapak Darmawan. ST yang telah membantu kelancaran proses pengerjaan tugas akhir ini.

5. Ibu Ir. Windalina Syafiar selaku dosen wali penulis, atas bimbingan dan arahannya selama dalam menyelesaikan perkuliahan.

6. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU.

7. Teman – teman saya : Boby Bilyard, Benni N Stefany, Ricko Hasibuan, Hedbien, Wiswa, Lamganda, Juanda, Buhari, Juni Sitorus, Ardy, Marlen, Irwan, Henry, Dody, Oloan, Elrijon, Tedy Srgh, Mualim, Zamil, Hotdes, Fahmi, Horas, Emil, Brian, Soli dan semua rekan – rekan kuliah penulis yang tidak dapat disebutkan satu – persatu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan.

Medan, Juli 2009

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... 3

KATA PENGANTAR ... 4

DAFTAR ISI ... 6

DAFTAR GAMBAR ... 9

DAFTAR TABEL ... 11

I. PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ... 12

I.2 Tujuan Penulisan ... 13

I.3 Manfaat Penulisan ... 13

I.4 Batasan Masalah ... 14

I.5 Metode Penulisan ... 14

I.6 Sistematika Penulisan ... 15

II. GENERATOR SINKRON II.1 Umum ... 16

II.2 Komponen Generator Sinkron ... 17

II.3 Prinsip Kerja Generator Sinkron ... 22

II.4 Reaksi Jangkar Generator Sinkron ... 24

II.5 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ... 27

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

II.6.1 Karakteristik Tanpa Beban ... 30

II.6.2 Karakteristik Hubung Singkat ... 31

II.6.3 Karakteristik Berbeban ... 32

II.6.4 Karakteristik Luar ... 34

II.6.5 Karakteristik Pengaturan ... 35

III. METODE EKSITASI PADA GENERATOR SINKRON III.1 Umum ... 39

III.2 Metode Eksitasi Pada Generator Sinkron ... 40

III.2.1 Sistem Eksitasi Konvensional ... 41

III.2.2 Sistem Eksitasi Statis ... 43

III.2.3 Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai ... 44

III.2.4 Sistem Eksitasi Menggunakan Permanent Magnet Generator ... 47

IV. SISTEM EKSITASI MENGGUNAKAN PERMANEN MAGNET GENERATOR DI PT. MANUNGGAL WIRATAMA IV.1 Umum ... 49

IV.2 Peralatan Yang Digunakan ... 51

IV.2.1 PMG (Pilot Eksiter) ... 53

IV.2.2 Automatic Voltage Regulator (AVR) ... 58

IV.2.3 Eksiter Utama (Penguat Utama) ... 67

IV.2.4 Rotating Diodes ... 68

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

IV.4 Operasi Sistem Eksitasi ... 61 IV.5 Sistem Proteksi Proses Eksitasi ... 65

V. KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan ... 72 V.2 Saran ... 77

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi generator sinkron ………..…..………..……… 17

Gambar 2.2 Bentuk-bentuk alur ………..…...…….………… 18

Gambar 2.3 Rotor kutub menonjol ……….……….…..…………. 20

Gambar 2.4 Rotor kutub silinder ………..……….………. 21

Gambar 2.5 Model reaksi jangkar …………..………. 24

Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen generator sinkron ………...…………. 28

Gambar 2.7 Penyederhanaan rangkaian ekivalen generator sinkron ……….……. 29

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen tiga fasa generator sinkron ………. 29

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen generator sinkron tanpa beban ……...…………. 30

Gambar 2.10 Karakteristik beban nol …………...……….. 31

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen generator sinkron dihubung singkat ……..…... 31

Gambar 2.12 Karaktersitik hubung singkat ……… 31

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen generator berbeban ……..………. 33

Gambar 2.14 Karakteristik berbeban ………..…… 34

Gambar 2.15 Karakteristik luar generator ……….. 35

Gambar 2.16 Karakteristik pengaturan generator ………..…………. 36

Gambar 2.17 Diagram fasor generator sinkron ………..…………. 38

Gambar 3.1 Sistem eksitasi menggunakan generator arus searah ………..……… 42

Gambar 3.2 Sistem eksitasi statis ………..……….. 44

Gambar 3.3 Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai ………. 46

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Gambar 3.5 Sistem eksitasi dengan menggunakan permanent magnet generator ... 47

Gambar 4.1 Diagram satu garis sistem kelistrikan Sun Plaza ………..…….. 50

Gambar 4.2 Diagram sistem eksitasi dengan menggunakan PMG …………...….. 52

Gambar 4.3 Stator tanpa menggunakan alur ... 54

Gambar 4.4 Stator dengan menggunakan alur ... 54

Gambar 4.5 Rotor permanent magnet generator ... 55

Gambar 4.6 Konstruksi PMG ... 55

Gambar 4.7 Konstruksi rotor dan stator dari Permanent Magnet Generator ... 58

Gambar 4.8 Diagram prinsip kerja AVR ... 59

Gambar 4.9 Tampilan AVR MX321 ... 60

Gambar 4.10 Skematik AVR MX321 ... 61

Gambar 4.11 Karakteristik Volt/Hz ... 62

Gambar 4.12 Diagram satu garis generator sinkron ... 65

Gambar 4.13 Rangkaian kontrol generator sinkron ... 66

Gambar 4.14 Rangkaian Penyearah Dioda dengan Surge Supressor ... 69

Gambar 4.15 Karaktersitik pengaturan (If=f(IL)) generator - 4 ... 75

Gambar 4.16 Karaktersitik pengaturan (If=f(IL)) generator - 2 ... 76

Gambar 4.17 Karaktersitik pengaturan (If=f(IL)) generator - 4 ... 77

Gambar 4.18 Rangkaian surge soppresors ……..……… 78

Gambar 4.19 Rangkaian fuse pada dioda penyearah ……….. 79

Gambar 4.20 Rangkaian Field Breaker ………..………. 79

Gambar 4.21 Skematik Diode Failure Detector ... 80

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Operasi generator pada tanggal 04 juni 2009 Generator unit 4 ……..… 73 Tabel 4.2 Operasi generator pada tanggal 10 Juni 2009 Generator unit 2 ..……… 75 Tabel 4.3 Operasi generator pada tanggal 10 Juni 2009 Generator unit 4 .……….. 76

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

BAB I PENDAHULUAN

I.1 LATAR BELAKANG

Generator adalah suatu perangkat yang berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Kumparan medan yang terdapat pada rotor generator sinkron diberi penguatan (eksitasi). Eksitasi pada Generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan medan yang terdapat pada rotor, dengan adanya arus yang mengalir melalui kumparan medan akan menimbulkan fluks magnetik. Rotor diputar oleh penggerak mula dengan kecepatan tertentu, perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Fluks magnet kutub-kutub rotor akan memotong kumparan jangkar secara bergantian sehingga menghasilkan GGL bolak-balik pada ujung-ujung konduktor stator.

Sistem eksitasi pada generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring dengan peningkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus medan yang diperlukan untuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari sumber arus searah tertentu seperti generator DC, Permanen Magnet Generator, dan Generator itu sendiri.

Untuk generator yang konvensional, arus searah diperoleh dari sebuah generator dc kecil yang disebut exciter. Tegangan yang dihasilkan oleh generator dc ini diberikan pada rotor melalui sikat arang dan slip ring. Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu : generator dc kecil (exciter)

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

merupakan beban tambahan untuk penggerak generator ac ini. Generator ini diputar oleh diesel atau mesin bensin dan sebagainya. Terdapat sikat arang yang menekan slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya.

Karena hal-hal seperti di atas dipikirkan hubungan lain dan dikembangkan metode sistem eksitasi dengan menggunakan Permanent Magnet Generator, sebagai salah satu sistem eksitasi yang cocok mengatasi persoalan yang disebutkan diatas. Oleh karena itu penulis akan membahas tentang aplikasi sistem eksitasi dengan menggunakan generator magnet permanen pada generator sinkron di PLTD PT. Manunggal Wiratama.

I.2 TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Untuk memberikan penjelasan secara sistematis tentang sistem eksitasi menggunakan Permanen Magnet Generator pada generator sinkron

2. Untuk membandingkan ilmu teori yang diperoleh di bangku kuliah dengan hasil survei yang diperoleh di lapangan.

I.3 MANFAAT PENULISAN

Manfaat penulisan Tugas Akhir ini adalah memberikan informasi kepada penulis dan pembaca yang lain mengenai aplikasi metode eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator pada sistem kelistrikan PT. Manunggal Wiratama.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

I.4 BATASAN MASALAH

Untuk menghindari pembahasan yang meluas maka penulis akan membatasi pembahasan tugas akhir ini dengan hal-hal sebagai berikut:

1. Tidak membahas mengenai prinsip kerja peralatan proteksi pada sistem eksitasi.

2. Tidak membahas tentang pengaturan daya reaktif generator sinkron.

3. Tidak membahas sistem distribusi dan sistem proteksi sistem kelistrikan pada PT. Manunggal Wiratama.

4. Tidak membahas beban-beban yang disupali generator sinkron.

I.5 METODE PENULISAN

Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Studi literature, mengambil bahan dari buku-buku referensi, jurnal, majalah dan

sebagainya.

2. Studi lapangan, mengambil data dan informasi dari PT. Manunggal Wiratama yang berhubungan dengan sistem eksitasi dengan menggunakan Permanen Magnet Generator.

3. Studi bimbingan, Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Jurusan Teknik Elektro USU, mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir ini berlangsung.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

I.6 SISTEMATIKA PENULISAN

Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II : GENERATOR SINKRON

Bab ini menjelaskan tentang generator sinkron secara umum, komponen utama, prinsip kerja, rekasi jangkar, rangkaian ekivalen, dan karakteristik generator sinkron.

BAB III : SISTEM EKSITASI SECARA UMUM PADA GENERATOR Bab ini menjelaskan tentang sistem eksitasi secara umum dan metode eksitasi generator sinkron.

BAB IV :APLIKASI SISTEM EKSITASI MENGGUNAKAN PERMANEN

MAGNET GENERATOR DI PLTD PT. MANUNGGAL

WIRATAMA

Bab ini menjelaskan tentang peralatan eksitasi , proses eksitasi, dan proteksi sistem eksitasi.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dan saran yang diperoleh dari hasil pembahasan.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

BAB II

GENERATOR SINKRON

II.1 UMUM

Konversi energi elektromagnetik yaitu perubahan energi dari bentuk mekanik ke bentuk listrik dan bentuk listrik ke bentuk mekanik. Generator sinkron (alternator) merupakan jenis mesin listrik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan bolak-balik dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover), sedangkan energi listrik diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya.

Generator sinkron dengan definisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator tersebut. Rotor generator sinkron yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet yang diputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan putar rotor. Hubungan antara medan magnet pada mesin dengan frekuensi listrik pada stator ditunjukan oleh persamaan dibawah ini:

120 . p n

f = s ………... (2.1)

Dimana: f = Frekuensi listrik (Hz)

n = Kecepatan sinkron medan magnet atau kecepatan putar rotor (rpm) _s

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Generator sinkron sering kita jumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik (dengan kapasitas yang relatif besar). Misalnya, pada PLTA, PLTU, PLTD dan lain-lain. Selain generator dengan kapasitas besar, kita mengenal juga generator dengan kapasitas yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan untuk penerangan darurat yang sering disebut Generator Set.

II.2 KOMPONEN GENERATOR SINKRON

Generator sinkron mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik bolak-balik secara elektromagnetik. Energi mekanik berasal dari penggerak mula yang memutar rotor, sedangkan energi listrik dihasilkan dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan-kumparan stator.

Pada Gambar 2.1 dapat dilihat bentuk sederhana dari sebuah generator sinkron.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Secara umum generator sinkron terdiri atas stator, rotor, dan celah udara. Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam sedangkan rotor adalah bagian yang berputar dimana diletakkan kumparan medan yang disuplai oleh arus searah dari Eksiter. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor.

1. Stator

Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu : a. Rangka Stator

Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga inti jangkar generator.

b. Inti Stator

Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besi magnetik khusus yang terpasang ke rangka stator.

c. Alur (slot) dan Gigi

Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada 3 (tiga) bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dan tertutup, seperti pada Gambar 2.2 berikut :

terbuka setengah terbuka tertutup

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

d. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar)

Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan ini merupakan tempat timbulnya ggl induksi.

2. Rotor

Rotor terdiri dari tiga komponen utama yaitu : a. Slip Ring

Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasangkan ke slip ring ini kemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush) yang letaknya menempel pada slip ring.

b. Kumparan Rotor (kumparan medan)

Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumber eksitasi tertentu.

c. Poros Rotor

Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros rotor tersebut telah terbentuk slot-slot secara paralel terhadap poros rotor.

Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient pole (kutub menonjol) dan non salient pole (kutub silinder).

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

a. Jenis Kutub Menonjol

Pada jenis salient pole, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan medannya dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh Eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub berlawanan. Gambaran bentuk kutup menonjol generator sinkron seperti pada Gambar 2.3 berikut :

Gambar 2.3 Rotor kutub menonjol

Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron kecepatan putar rendah dan sedang (120-400 rpm). Oleh sebab itu generator sinkron tipe seperti ini biasanya dikopel oleh mesin diesel atau turbin air pada sistem pembangkit listrik. Rotor kutub menonjol baik digunakan untuk putaran rendah dan sedang karena:

• Kutub menonjol akan mengalami rugi-rugi angin yang besar dan bersuara bising jika diputar dengan kecepatan tinggi.

• Kontruksi kutub menonjol tidak cukup kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan dengan kecepatan tinggi.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

b. Jenis Kutub Silindris

Pada jenis non salient pole, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Jenis rotor ini terbuat dari baja tempa halus yang berbentuk silinder yang mempunyai alur-alur terbuat di sisi luarnya. Belitan-belitan medan dipasang pada alur di sisi luarnya. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur tersebut dan terhubung seri dengan slip-slip yang dienerjais oleh Eksiter. Gambaran bentuk kutup silindris generator sinkron seperti pada Gambar 2.4 berikut :

Gambar 2.4. Rotor kutub silinder

Untuk kecepatan putar tinggi (1500 atau 3000 rpm) umumnya digunakan rotor silinder seperti yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga uap. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan putar tinggi karena :

 Kontruksinya memiliki kekuatan mekanik yang baik pada kecepatan putar tinggi

 Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih baik dari kutub menonjol.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

II.3 PRINSIP KERJA GENERATOR SINKRON

Suatu mesin listrik akan berfungsi bila memiliki : 1. Kumparan medan untuk menghasilkan medan magnet.

2. Kumparan jangkar, untuk mengimbaskan ggl pada konduktor-konduktor yang terletak pada alur-alur jangkar.

3. Celah udara yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan magnet. Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai berikut :

1. Kumparan medan yang diletakkan di rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap.

2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar dengan kecepatan tertentu sesuai dengan yang diharapkan.

3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya setiap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut sesuai dengan persamaan :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

dt d N

E_ind =− φ ... (2.2)

) 120 44 , 4 ( 120 44 , 4 2 ) 120 . 14 , 3 . 2 ( 2 ) 120 . 14 , 3 . 2 ( ) 120 . 14 , 3 . 2 ( ) 120 2 ( ) 120 ( ) 2 ( ) 2 ( C Np Npn np N e E np N E t Cos np N t Cos np N np f t Cos f N f t Cos N dt t Sin d N E maks maks eff maks maks maks maks maks maks maks = Φ = Φ = = Φ = Φ − = Φ − = = Φ − = = Φ − = Φ − = ω ω π ω π π ω ω ω ω φ Cn

Eeff = ... (2.3)

Dimana : E = gaya gerak listrik (volt) N = jumlah lilitan

C = konstanta

n = putaran sinkron (rpm)

φ

= fluks magnetik (weber)

Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar yang sedemikian akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda phasa 1200 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

II.4 REAKSI JANGKAR GENERATOR SINKRON

Saat generator sinkron bekerja pada beban nol tidak ada arus yang mengalir melaui kumparan jangkar (stator), sehingga yang ada pada celah udara hanya fluksi arus medan rotor. Namun jika generator sinkron diberi beban, arus jangkar Ia akan

mengalir dan membentuk fluksi jangkar. Fluksi jangkar ini kemudian mempengaruhi fluksi arus medan dan akhirnya menyebabkan berubahnya harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian dikenal sebagai reaksi jangkar seperti pada Gambar 2.5 berikut :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Keterangan gambar :

a) Medan magnet yang berputar akan menghasilkan tegangan induksi EAmax b) Tegangan resultan menghasilkan arus lagging saat generator berbeban induktif

c) Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri BS dan tegangan Estat pada

belitan stator

d) Vektor penjumlahan BS dan BR yang menghasilkan Bnet dan penjumlahan Estat dan EAmax menghasilkan V pada outputnya.

Pengaruh yang ditimbulkannya dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan pada celah udara. Perbedaan pengaruh yang ditimbulkan fluksi jangkar tergantung kepada beban dan faktor daya beban, yaitu :

a. Untuk beban resistif (cos = 1 )

Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas mendistorsinya saja tanpa mempengaruhi kekuatannya (cross magnetising)

b. Untuk beban induktif murni (cos = 0 lag)

Arus akan tertinggal sebesar 900 dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh arus jangkar akan melawan fluksi arus medan. Dengan kata lain reaksi jangkar akan

demagnetising artinya pengaruh raksi jangkar akan melemahkan fluksi arus

medan.

c. Untuk beban kapasitif murni (cos = 0 lead)

Arus akan mendahului tegangan sebesar 900. Fluksi yang yang dihasilkan arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga rekasi jangkar yang

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

terjadi akan magnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus medan.

d. Untuk beban tidak murni (induktif/kapasitif)

Pengaruh reaksi jangkar akan menjadi sebagian magnetising dan sebagian

demagnetising. Saat beban adalah kapasitif, maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian magnetising. Sementara itu saat beban adalah induktif,

maka reaksi jangkar akan sebagian distortif dan sebagian demagnetising. Namun pada prakteknya beban umumnya adalah induktif.

Bentuk permukaan rotor silinder yang hampir rata membentuk celah udara yang seragam sehingga reluktansi yang terjadiakan sama besar di setiap arah. Oleh karena itu pengaruh reaksi jangkar dapat diasumsikan menjadi satu reaktansi saja yaitu reaktansi sinkron XS.

Bila rotor genarator diputar, tegangan induktansi Ea akan dibangkitkan pada

belitan statornya. Bila beban dihubungkan pada terminal generator, maka pada belitan stator akan mengalir arus jangkar Ia. Medan magnet stator (fluksi jangkar)

akan mempengaruhi medan magnet yang berasal dari rotor (fluksi rotor) dan merubah tegangan fasanya. Oleh karena itu untuk mendapatkan tegangan terminal yang konstan medan magnet rotor harus diperbesar dengan meningkatkan arus medan If. Seiring bertambahnya arus medan If maka akan diperoleh fluksi resultan

yang sama besar dengan fluksi awal.

Pada gambar 2.5.a, dilukiskan rotor dua kutub yang berada didalam stator tiga fasa. Dalam hal ini tidak ada beban yang terhubung ke terminal generator. Medan magnet BR akan membangkitkan tegangan induksi EAmax. Pada saat generator

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

beroperasi tanpa beban, tidak ada arus jangkar yang mengalir sehingga EAmax akan

sama dan sefasa dengan tegangan terminal V_φ.

Pada saat beban induktif dihubungkan ke terminal generator, arus jangkar Ia

akan lagging secara vektoris dari tegangan terminal seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.5.b. Arus yang mengalir pada stator akan menghasilkan medan magnet pada belitan tersebut, dimana arahnya ditentukan oleh kaidah tangan kanan seperti yang terlihat pada gambar 2.5.c. Medan magnet stator BS akan menghasilkan

tegangan stator Estat.

Dengan adanya dua tegangan ini EAmax dan Estat, maka tegangan total pada

fasa yang sama adalah penjumlahan dari tegangan induksi EAmax dan tegangan stator Estat seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.5.d. Dalam persamaan dapat ditulis

sebagai berikut :

stat

A E

E

V_φ = _max+ [volt] ... (2.4) Dan besarnya medan magnet total Bnet adalah penjumlahan dari medan magnet rotor BR dengan medan magnet stator BS

S R

net B B

B = + [Tesla] ... (2.5) Bila EAmax dan BR sefasa, maka medan magnet resultan Bnet akan sefasa dangan V.

II.5 RANGKAIAN EKIVALEN GENERATOR SINKRON

Stator merupakan grup belitan jangkar yang terbuat dari tembaga. Belitan-belitan ini diletakkan pada alur-alur (slot), dimana suatu Belitan-belitan konduktor akan mengandung tahanan (R) dan induktansi sendiri (L), maka belitan stator akan mengandung tahanan stator (Ra) dan dan induktansi sendiri(La1). Akibat adanya

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

pengaruh reaktansi reaksi jangkar Xar dan reaktansi bocor jangkar Xla maka rangkaian

ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti Gambar 2.6 berikut : Radj

Rf

Lf +

Ea

Ra

Xar Xla

Ia

V f V

Gambar 2.6 rangkaian ekivalen generator sinkron Dimana : E = Tegangan induksi (volt)

V = Tegangan terminal generator (volt) Vf = Tegangan Eksitasi

Rf = Tahanan belitan medan

Lf = Induktansi belitan medan

Radj = Tahanan variabel

Ra = Tahanan jangkar

Xar = Reaktansi reaksi jangkar

Xla = Reaktansi bocor belitan jangkar

Ia = Arus jangkar

Dari Gambar 2.6 dapat ditulis persamaan tegangan generator sinkron sebagai berikut :

Ea = V + jXar Ia + jXla Ia + Ra Ia ... (2.6)

Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau Xs = Xar + Xla dapat dilihat pada gambar 2.7 maka persamaan

menjadi :

V = Ea - j Xs Ia – Ra Ia [volt] ... . (2.8)

Radj

Rf

Lf +

Ea

Ra Xs

Ia

V f V

Gambar 2.7 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron

Karena tegangan yang dibangkitkan generator sinkron adalah tegangan bolak-balik, maka biasanya diekspresikan dalam bentuk fasor. Diagram fasor yang ditunjukkan dalam hubungan antara tegangan induksi perfasa dengan tegangan terminal generator akan ditunjukkan oleh Gambar 2.7 Sementara itu untuk generator tiga fasa, rangkaian ekivalen generator sinkron ditunjukkan oleh Gambar 2.8 berikut ini :

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen tiga fasa generator sinkron (a) hubung-Y dan (b) hubung-

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

II.6 KARAKTERISTIK GENERATOR SINKRON II.6.1 Karakteristik Tanpa Beban : E0 = E0 (If), n = konstan

Karaktereistik tanpa beban atau karakteristik beban nol dari generator sinkron merupakan hubungan antara tegangan yang dibangkitkan generator E0 sebagai fungsi

dari arus medan If , dimana generator dalam keadaan tak berbeban dengan kecepatan

putaran rotor konstan. Dalam keadaan beban nol, arus jangkar Ia tidak mengalir di

stator, oleh karena itu tidak ada pengaruh reaksi jangkar. Fluksi hanya dihasilkan oleh arus medan, hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.9 berikut :

Radj

Rf

Lf

Ea

Ra Xs

V f V

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban Dari persamaan umum generator diperoleh :

) (

0 =V +Ia Ra + jXs

Ε ... (2.9)

Pada keadaan beban nol arus jangkar Ia = 0, maka :

E0 = V ... (2.10)

Berdasarkan persamaan diatas, maka :

f

cnφ

=

Ε0 ... (2.11)

Dimana, Cn = konstan.

Jadi persamaan (2.9) dapat disederhanakan menjadi :

f

I k

V 1

0 = =

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Dari persamaan (2.11), maka pengukuran tegangan dilakukan berdasarkan penambahan arus medan dari nol dapat dilihat pada Gambar 2.10 berikut :

Eo

If

Gambar 2.10 Karakteristik Beban Nol

II.6.2 Karakteristik Hubung Singkat : Ihs=Ihs(If), dimana n = konstan

Karakteristik hubung singkat merupakan penggambaran dari hubungan antara arus phasa hubung singkat Ihs, sebagai fungsi arus medan If, dimana ketiga fasa

generator dihubung singkat dengan kecepatan putaran konstan. Seperti terlihat pada Gambar 2.11 berikut ini :

Radj

Rf

Lf

Ea

Ra Xs

V f Ihs

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Dihubung Singkat Dari persamaan umum generator diperoleh :

)

( a s

a

a V I R jX

E = _ϕ + +

Karena generator dalam keadaan terhubung singkat, maka tegangan terminal V = 0,

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

)

( a s

a

a I R jX

E = + , ... (2.13)

Seperti persamaan (2.12), (Ra + jXs), adalah konstan = Κ2, dan Ia = Ihs, sehingga : K1If = Ihsk2 ... (2.14)

f

hs I

k k I

2 1

= , ... (2.15)

Dari persamaan 2.15, pengkuran arus hubung singkat dilakukan berdasarkan penambahan arus medan dari nol sampai batas yang diinginkan. Karakteristik hubung singkat dapat dilihat pada Gambar 2.12 berikut ini :

If

Ihs

Ihs = f(If)

Gambar 2.12 Karakteristik hubung singkat

II.6.3 Karakteristik Berbeban : V=V(If), ZL, n = konstan

Karakteristik berbeban suatu generator sinkron menunjukkan hubungan antara tegangan terminal V sebagai fungsi arus medan If, dimana beban generator Zf,

kecepatan putaran, dan Cos adalah konstan.

Untuk karakteristik berbeban dengan faktor daya nol dapat diperoleh dengan memberikan beban induktif murni atau kapasitif murni pada generator. Rangkaian

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

ekivalen generator sinkron dalam keadaan berbeban dapat dilihat pada Gambar 2.13 berikut ini :

Radj Rf Lf Ea Ra Xs

Ia=IL

V f Zf V

Gambar 2.13 Gambar rangkaian ekivalen generator berbeban Dari gambar 2.13 diperoleh persamaan :

)

( _{a s}

a

a I R jX

E

V_Φ = − + dengan Ia=IL

s a Z

I n c

V_Φ = . .Φ− . , dimana Φ=If s

a f I Z

I n c V_Φ = . . − Karena c, n konstan maka diperoleh :

s a f I Z

I k

VΦ = 1. − .

Karena beban konstan maka arus beban (Ia=IL) konstan, sehingga (Ia.Zs) juga konstan

dan diperoleh persamaan karakteristik terminal generator :

2 1.I k

k

VΦ = f −

Untuk n, Ia, Zs konstanta dan Cos variabel diperoleh hubungan :

Untuk If = 0, maka V = -k2

Untuk V = 0, maka

1 2 k k If =

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Bila Cos beban berubah, dengan sendirinya penggambaran karakteristik berbeban akan berubah pula. Gambar 2.14 memperlihatkan karaktersitik generator pada kondisi berbeban pada beberapa harga Cos tertentu.

Karakteristik tanpa beban

Cos = 0 lagging Cos = 0 leading

Cos = 0,8 lagging

I

k2/k1 _If

k2

Gambar 2.14 Karakteristik berbeban

II.6.4 Karakteristik Luar : V = f(IL), dimana If, n, Cos konstan

Dengan mengetahui karakteristik luar maka dapat dilihat hubungan antara tegangan terminal generator (V ) sebagai fungsi arus beban (IL) pada kecepatan

putaran dan arus medan yang konstan. Karakteristik kerja generator dalam keadaan normal, perubahan arus beban akan berpengaruh terhadap tegangan terminal generator sehingga diperoleh hubungan antara tegangan terminal generator dan arus beban pada generator V = f(IL).

Dari rangkaian ekivalen generator berbeban pada Gambar 2.11 diperoleh persamaan :

)

( a s

a

a V I R jX

E = _Φ + + , dimana Ia = IL

Cn = V + IL.Zs CnIf = V + IL.Zs

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Karena C, n, If dan Zs konstan maka diperoleh persamaan : K1 = V + k2.IL

V = k1 – k2.IL

Untuk C, n, If, Zskonstan dan Cos variabel diperoleh hubungan :

Untuk IL = 0, maka V = k1

Untuk V = 0, maka

2 1 k k If =

Sehingga diperoleh grafik yang linier, namun karena adanya efek reaksi jangkar maka grafiknya tidak linier melainkan melengkung pada beberapa harga Cos

dan beban tertentu. Seperti pada Gambar 2.15 berikut :

Cos f = 0 lead

Cos f = 0 lagg Cos f = 0, 8 lagg Cos f = 1 Cos f = 0, 8 lead

ideal

k1/k2 k1

V volt

I

L

amp Gambar 2.15 Karakteristik Luar Generator

II.6.5 Karakteristik Pengaturan : If = f(IL), dimana V , n, Cos konstan

Karakteristik pengaturan menunjukkan pengaruh perubahan arus beban (IL)

terhadap arus medan (If) pada generator sinkron jika tegangan terminal (V ),

kecepatan putar (n) tetap dan Cos yang tetap.

Pada saat generator berbeban seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.13 diperoleh persamaan :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Ea = V + Ia(Ra + jXs) , dimana Ia = IL c.n. = V + IL(Zs)

c.n.If = V + IL(Zs)

karena c, n, Zs, dan V konstan maka diperoleh persamaan : k1.If = k2 + k3.IL

L

f I

k k k k I

1 3

1 2 +

=

L

f k k I

I = ₄ + ₅.

Dari karakteristik pengaturan yang perlu dipahami adalah bahwa perubahan arus beban (IL) akan menyebabkan perubahan tegangan terminal generator, agar

tegangan terminal generator dapat dijaga konstan, maka harus mengatur besar ggl induksi yang dibangkitkan dengan besar arus medan (If). Grafik karakteristik

pengaturan diperlihatkan oleh Gambar 2.16 berikut :

Gambar 2.16 Karakteristik pengaturan generator

Dari grafik terlihat bahwa untuk beban dengan Cos = 1, grafik yang terjadi

berbentuk lengkung. Hal ini disebabkan karena pada saat arus beban (IL) yang kecil,

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

penambahan arus medan (If) yang diberikan hanya untuk mengatasi drop tegangan IL(Ra + jXs), sehingga karakteristiknya menjadi melengkung.

Sedangkan untuk Cos = 0 lagging, grafiknya berada dibawah grafik pada

beban Cos = 1, hal ini disebabkan karena medan magnet yang dihasilkan reaksi jangkar menentang medan magnet utama, sehingga jika arus beban naik maka reaksi jangkar semakin besar dan akibatnya tegangan terminal generator menjadi turun. Jadi untuk mempertahankan agar tegangan terminal tetap konstan diperlukan arus medan yang lebih besar, sehingga karakteristik yang dihasilkan berada diatas karakteristik beban dengan Cos = 1.

Untuk beban dengan Cos = 0 leading, grafik yang dihasilkan berada dibawah grafik pada beban Cos = 1, karena medan magnet yang dihasilkan reaksi jangkar memperkuat medan magnet utama sehingga jika arus beban naik, maka tegangan terminal generator juga naik. Jadi untuk menjaga tegangan terminal tetap konstan, maka arus medan harus dikurangi sehingga yang diperoleh berada dibawah karakteristik beban dengan Cos = 1.

Diagram fasor mempunyai dua besaran yaitu skalar dan sudut. Diagram fasor merupakan bentuk dari hasil plot EA, jXsIa, dan IaRa, yang menggambarkan hubungan

antara besaran-besaran tersebut. Dalam diagram fasor pada Gambar 2.17, menunjukkan diagram fasor untuk beban generator sinkron yang bersifat resistif, induktif, dan kapasitif, dimana sebagai acuan adalah tegangan terminal per fasa Vt.

Gambar 2.17.(a) diagram fasor untuk beban resistif, Gambar 2.17.(b) diagram fasor untuk beban induktif, dan Gambar 2.17.(c) diagram phasor untuk beban kapasitif.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Ia V_t Ia.Ra

jXs.Ia

Ea

(a) Diagram fasor untuk beban resistif

Ia

Vt

Ia.Ra

jXs.Ia

Ea

(b) Diagram fasor untuk beban induktif

Ia

Vt

Ia.Ra

jXs.Ia

Ea

(c) Diagram phasor untuk beban kapasitif.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

BAB III

METODE EKSITASI PADA GENERATOR SINKRON

III.1 UMUM

Eksitasi pada Generator sinkron adalah pemberian arus searah pada belitan medan yang terdapat pada rotor. Sesuai dengan prinsip elektromagnet yaitu apabila suatu konduktor yang berupa kumparan yang dialiri listrik arus searah maka kumparan tersebut akan menjadi magnet sehingga akan menghasilkan fluks-fluks magnet. Apabila kumparan medan yang telah diberi arus eksitasi diputar dengan kecepatan tertentu, maka kumparan jangkar yang terdapat pada stator akan terinduksi oleh fluks-fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan sehingga akan dihasilkan tegangan listrik bolak-balik. Besarnya tegangan yang dihasilkan tergantung kepada besarnya arus eksitasi dan putaran yang diberikan pada rotor. Semakin besar arus eksitasi dan putaran, maka akan semakin besar tegangan yang akan dihasilkan oleh sebuah generator.

Sistem eksitasi generator sinkron terus mengalami perkembangan seiring dengan peningkatan kapasitas generator itu sendiri. Pada generator sinkron, arus medan yang diperlukan untuk membangkitkan medan magnet rotor disuplai dari sumber daya arus searah tertentu. Karena kumparan medan terletak pada rotor yang berputar, maka diperlukan perancangan khusus untuk membentuk rangkaian sumber daya arus searah terhadap kumparan medan.

Penggunaan slipring dan sikat, biasanya digunakan pada generator yang berkapasitas kecil. Slipring ini terbuat dari bahan metal yang biasanya telah

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

terpasang pada poros mesin tetapi terisolasi dari poros tersebut. Dimana kedua ujung belitan medan pada rotor dihubungkan ke slipring tersebut. Dengan menghubungkan terminal positif dan negatif dari sumber arus searah ke slipring melalui sikat, maka belitan medan akan mendapatkan suplai energi listrik arus searah dari sumber luar. Penggunaan slipring dan sikat menimbulkan sedikit masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber tegangan arus searah ke belitan medan pada generator sinkron, karena penggunaan slipring dan sikat ini menambah biaya perawatan pada mesin. Selama pemakaian, slipring dan sikat ini harus diperiksa secara teratur. Bahkan dengan pemakaian slipring dan sikat ini dapat menyebabkab rugi-rugi daya yang cukup besar akibat adanya drop tegangan pada terminal sikat, terutama pada mesin yang arus medannya cukup besar. Oleh karena itu untuk mengatasi masalah ini maka digunakanlah penguatan statis.

Untuk generator berkapasitas besar, penguat tanpa sikat digunakan untuk mensuplai arus searah ke beliatan medan yang ada pada rotor mesin. Penguat tanpa sikat ini merupakan sebuah generator kecil dimana rangkaian medannya berada di stator, sedangkan jangkarnya berada di rotor. Daya keluaran tiga fasa dari generator penguat ini disearahkan oleh penyearah untuk mendapatkan sumber arus searah.

III.2 METODE EKSITASI PADA GENERATOR SINKRON

Berdasarkan cara penyaluran arus searah pada rotor generator sinkron, sistem eksitasi terdiri atas dua jenis yaitu sistem eksitasi dengan menggunakan sikat (brush excitation) dan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat ( brushless). Ada dua jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat yaitu :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

1. Sistem eksitasi konvensional (menggunakan generator arus searah). 2. Sistem eksitasi statis.

Sedangkan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat terdiri dari : 1. Sistem eksitasi dengan menggunakan baterai.

2. Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG). Untuk generator sinkron berkapasitas besar, penguat tanpa sikat digunakan untuk mensuplai arus searah ke belitan medan yang terdapat pada rotor mesin. Penguat tanpa sikat ini merupakan sebuah generator arus bolak balik yang memiliki poros yang sama dengan generator sinkron. Generator penguat ini memiliki belitan medannya terdapat di stator, sedangkan belitan jangkarnya terdapat di rotor. Keluaran dari generator penguat ini disearahkan oleh penyearah kemudian disuplai pada rotor generator utama.

III.2.1 Sistem Eksitasi Konvensional ( Menggunakan Generator Arus Searah)

Untuk sistem eksitasi yang konvensional, arus searah diperoleh dari sebuah generator arus searah berkapasitas kecil yang disebut eksiter. Generator sinkron dan generator arus searah tersebut terkopel dalam satu poros, sehingga putaran generator arus searah sama dengan putaran generator sinkron.

Tegangan yang dihasilkan oleh generator arus searah ini diberikan ke belitan rotor generator sinkron melalui sikat karbon dan slip ring. Akibatnya arus searah mengalir ke dalam rotor atau kumparan medan dan menimbulkan medan magnet yang diperlukan untuk dapat menghasilkan tegangan arus bolak-balik. Dalam

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

keadaan ini bila generator diputar oleh penggerak mula maka dibangkitkan tegangan bolak-balik pada kumparan utama yang terletak di stator generator sinkron.

Pada generator konvensional ini ada beberapa kerugian yaitu: Generator arus searah merupakan beban tambahan untuk penggerak mula. Penggunaan slip ring dan sikat menimbulkan masalah ketika digunakan untuk mensuplai sumber arus searah pada belitan medan generator sinkron. Terdapat sikat arang yang menekan slip ring sehingga timbul rugi gesekan pada generator utamanya. Selain itu pada generator arus searah juga terdapat sikat karbon yang menekan komutator. Selama pemakaian, slip ring dan sikat harus diperiksa secara teratur, generator arus searah juga memiliki keandalan yang rendah. Karena hal-hal seperti di atas dipikirkan hubungan lain dan dikembangkan apa yang dikenal sebagai generator sinkron dengan static exciter (penguat statis). Gambar 3.1 adalah sistem eksitasi yang menggunakan generator arus searah.

Generator Sinkron

Generator

Sinkron Generator

Arus searah

Generator Arus searah

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

III.2.2 Sistem Eksitasi Statis

Sistem eksitasi statis menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak (static), artinya peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama dengan rotor generator sinkron.

Sistem eksitasi satis (static excitation system) atau disebut juga dengan self

excitation merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan generator tambahan

sebagai sumber eksitasi generator sinkron. Sumber eksitasi pada sistem eksitasi statis berasal dari tegangan output generator itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan penyearah thyristor.

Pada mulanya pada rotor ada sedikit magnet sisa, magnet sisa ini akan menimbulkan tegangan pada stator, tegangan ini kemudian masuk dalam penyearah dan dimasukkan kembali pada rotor, akibatnya medan magnet yang dihasilkan makin besar dan tegangan AC akan naik demikian seterusnya sampai dicapai tegangan nominal dari generator AC tersebut. Biasanya penyearah itu juga mempunyai pengatur sehingga tegangan generator dapat diatur konstan. Bersama dengan penyearah, blok tersebut sering disebut AVR.

Dibandingkan dengan generator yang konvensional generator dengan sistem eksitasi statis ini memang sudah jauh lebih baik yaitu tidak ada generator arus searah (yang keandalannya rendah) dan beban generator arus searah pada penggerak utama dihilangkan. Eksiter diganti dengan eksiter yang tidak berputar yaitu penyearah karena itu disebut eksiter statis. Gambar 3.2 berikut adalah sistem eksitasi statis.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

AVR

PT

Konverter Sistem tiga fasa

Transformator eksitasi

Generator Sinkron CT

Gambar 3.2 Sistem Eksitasi Statis

Untuk keperluan eksitasi awal pada generator sinkron, maka sistem eksitasi statis dilengkapi dengan field flashing. Hal ini dibutuhkan karena generator sinkron tidak memiliki sumber arus dan tegangan sendiri untuk mensuplai kumparan medan. Penggunaan slip ring dan sikat pada eksitasi ini menyebabkan sistem eksitasi ini tidak efesian dan efektif.

III.2.3 Sistem Eksitasi Menggunakan Baterai

Sistem eksitasi tanpa sikat diaplikasikan pada mesin sinkron, dimana suplai arus searah ke belitan medan dilakukan tanpa melalui sikat. Arus searah untuk suplai eksitasi untuk awal start generator digunakan suplai dari baterai, yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke belitan medan ac exciter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini disearahkan oleh penyearah

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

yang menggunakan dioda, yang disebut rotating rectifier, yang diletakkan pada bagian poros ataupun pada bagian dalam dari rotor generator sinkron, sehingga rotating rectifier tersebut ikut berputar sesuai dengan putaran rotor, seperti pada gambar 3.3 berikut :

Stator

Rotor

Eksiter

Penyearah tiga fasa

Generator sinkron Kumparan jangkar

eksiter

Kumparan utama medan generator

Output tiga fasa

Kumparan utama jangkar generator

Kumparan medan Eksiter

Baterai

Gambar 3.3 Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Baterai

Dari gambar 3.3 diatas, untuk menghindari adanya kontak geser pada bagian rotor generator sinkron, maka penguat medan generator dirancang sedemikian sehingga arus searah yang dihasilkan dari penyearah langsung disalurkan ke bagian belitan medan dari generator utama. Hal ini dimungkinkan karena dioda penyearah ditempatkan pada bagian poros yang dimiliki bersama-sama oleh rotor generator utama dan penguat medannya. Arus medan pada generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan generator penguat (Eksiter).

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka catu daya DC (baterai) biasanya dilepas dan digantikan oleh Penyearah. Penguatan yang dipakai adalah sistem self exitation system yaitu sistem dimana sumber daya untuk penguatnya diperoleh dari keluaran tiga fasa generator itu sendiri. Gambar 3.4 menggambarkan sistem eksitasi tanpa sikat dengan suplai tiga fasa.

Stator

Rotor

Eksiter

Penyearah tiga fasa

Generator sinkron Kumparan jangkar

eksiter

Kumparan utama medan generator

Output tiga fasa

Kumparan utama jangkar generator

Input tiga fasa

Kumparan medan Eksiter

Gambar 3.4 Sistem Eksitasi Dengan Suplai Tiga Fasa

Pada Gambar 3.4, untuk membangkitkan arus medan digunakan Penyearah, dimana arus yang diserahkan diperoleh dari keluaran tiga fasa generator itu sendiri melalui transformator atau sering disebut Eksitasi Transformator, berfungsi menurunkan tegangan keluaran generator untuk disuplai pada Penyearah.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

III.2.4 Sistem Eksitasi Menggunakan Permanent Magnet Generator

Suatu generator sinkron harus memiliki sebuah medan magnet yang berputar agar generator tersebut menghasilkan tegangan pada statornya. Medan magnet ini dapat dihasilkan dari belitan rotor yang disuplai dengan sumber listrik arus searah. Cara lain untuk menghasilkan medan magnet pada rotor adalah dengan menggunakan magnet permanen yang diletakkan pada poros dari generator tersebut. Generator yang menggunakan magnet permanen sebagai sumber eksitasinya ini disebut dengan Permanen magnet generator (PMG).

Generator sinkron yang berkapasitas besar biasanya menggunakan sistem eksitasi brushless yang dilengkapi dengan permanen magnet generator. Hal ini dimaksudkan agar sistem eksitasi dari generator sama sekali tidak tergantung pada sumber daya listrik dari luar mesin itu. Pada gambar 3.5 dapat kita lihat bentuk skematik dari Sistem eksitasi dengan menggunakan Permanent Magnet Generator.

Magnet permanen

Pilot eksiter Eksiter Generator Sinkron

Penyearah Tiga Fasa

Kumparan Jangkar

Eksiter

Output tiga fasa

Kumparan utama Jangkar Generator

Kumparan jangkar Pilot eksiter

Medan

Pilot eksiter Kumparan utama medan generator

Kumparan medan eksiter

Penyearah Tiga Fasa

Stator

Rotor

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Dari Gambar 3.5, bahwa pada bagian mesin yang berputar (rotor) terdapat magnet permanen, kumparan jangkar generator eksitasi, kumparan medan generator utama. Hal ini memungkinkan generator tersebut tidak menggunakan slip ring dan sikat dalam pengoperasiaanya sehingga lebih efektif dan efesien.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

BAB IV

SISTEM EKSITASI MENGGUNAKAN PERMANEN MAGNET GENERATOR DI PT. MANUNGGAL WIRATAMA (SUN PLAZA)

IV.1 UMUM

Sun Plaza dengan pengelola PT. Manunggal Wiratama sebagai salah satu pusat perbelanjaan dan pusat bisnis yang terbesar di Medan, mengutamakan penyediaan sumber listrik yang kontinyu guna melayani pengunjung maupun penyewa. Sistem kelistrikan di Sun Plaza disuplai dua sumber listrik yaitu PLN dan pusat pembangkit listrik sendiri PLTD yaitu terdiri dari lima unit generator sinkron (5 x 2 MVA) yang dipararelkan.

Arus eksitasi mempunyai peranan yang sangat penting dalam menghasilkan tegangan induksi pada belitan jangkar generator sinkron yang akan disalurkan keluar melalui terminal generator tersebut. Sistem eksitasi yang digunakan pada generator di pusat PLTD Sun Plaza adalah sistem eksitasi tanpa sikat dengan menggunakan permanent magnet generator atau sering disebut sistem eksitasi bertingkat, dan sikat digantikan oleh diode yang berputar.

Generator penguat pertama disebut Pilot Eksiter (PMG) dan generator penguat kedua disebut Eksiter Utama (penguat utama). Eksiter Utama adalah generator arus bolak-balik dengan kutub magnet yang ada pada statornya. Rotornya menghasilkan arus bolak-balik yang kemudian disearahkan oleh dioda-dioda yang berputar pada poros Eksiter Utama ini (yang satu poros dengan generator utama). Arus searah yang dihasilkan oleh dioda-dioda yang berputar ini menjadi arus penguat

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

generator utama tersebut. Pilot Eksiter berupa generator arus bolak-balik dengan rotor berupa kutub magnet permanen yang berputar dan mengimbas tegangan bolak-balik pada lilitan statornya. Tegangan bolak-bolak-balik ini kemudian disearahkan dan kemudian dialirkan ke kutub-kutub magnet yang ada pada stator Eksiter Utama. Besarnya arus searah yang menuju ke kutub-kutub Eksiter Utama ini diatur oleh pengatur tegangan otomatis (automatic voltage generator/AVR), karena besarnya arus ini mempengaruhi besarnya arus yang dihasilkan Eksiter Utama juga akan mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh Generator Utama.

Diagram satu garis sistem kelistrikan Sun Plaza seperti Gambar 4.1 berikut ini : 2MVA, 3 50Hz, 380V 1500RPM 2MVA, 3 50Hz, 380V 1500RPM 2MVA, 3 50Hz, 380V 1500RPM 2MVA, 3 50Hz, 380V 1500RPM 2MVA, 3 50Hz, 380V 1500RPM 380 V 3200 A 380 V 3200 A 380 V 3200 A 380 V 3200 A 380 V 3200 A 380 V 6300 A

380 V 6300 A_{380 V} 6300 A_{380 V} 4 MVA 0.4/20 KV 4 MVA 0.4/20 KV 4 MVA 0.4/20 KV 630 A 630 A 630 A

PLN

3 × 1250 KVA _{2 × 1250 KVA 2 × 1600 KVA 2 × 1250 KVA} 2000 KVA

400 A 400 A _{400 A} 400 A 400 A 400 A

2000 A 2000 A 2000 A 2000 A 2000 A 2000 A 3150 KVA

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

IV.2 PERALATAN YANG DIGUNAKAN

PLTD di Sun Plaza menggunakan generator sinkron buatan Mitsubishi Heavy

Industries, Ltd. Generator ini menggunakan sistem eksitasi dengan menggunakan

generator magnet permanen.

Spesifikasi generator yang digunakan pada PLTD ini adalah sebagai berikut :

Model : Mitsibishi MGS Series 2500C

Type Model : MG-HC7H

Jumlah Fasa : 3

Jumlah kutub : 4

Putaran : 1500 rpm

Frekuensi : 50 Hz

Daya keluaran : 2000 kVA

Kapasitas Daya Aktif : 1600 kW

Rating Tegangan : 380 V

Rating arus : 3000 A

Faktor daya : 0.8 lag

Eksitasi : 52 V / 2.9 A

Sistem penguatan : Sendiri (PMG - AVR MX321)

Media pendingin : Udara

Tahanan belitan stator : 0.00126 Ohm Tahanan belitan rotor : 1.85 Ohm

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Diagram dari sistem eksitasi dengan menggunakan PMG dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Poros AVR

Stator PMG

Rotor PMG

Output

Penyearah

Generator Utama Stator

Rotor

Eksiter Pilot Eksiter

Rotor Stator

1

3 2

4 Isolating Transformer

Gambar 4.2 Diagram sistem eksitasi dengan menggunakan PMG

Semua peralatan pada Gambar 4.2 di atas bekerja dalam satu koordinasi sehingga apabila salah satu peralatan tidak berfungsi maka proses eksitasi tidak dapat berlangsung, dari Gambar 4.2 di atas diperoleh ada 4 (empat) bagian utama dalam menghasilkan arus eksitasi pada generator sinkron yaitu :

1. PMG (Pilot Eksiter)

2. Automatic Voltage Generator(AVR) 3. Eksiter Utama (Penguat Utama) 4. Rotating Diodes (Penyearah)

Bila terjadi penurunan tegangan keluaran generator utama, maka arus ekistasi yang disuplai pada rotor generator utama harus dinaikkan sampai generator bekerja pada tegangan nominal. Karena rotor PMG adalah magnet permanen, maka daya

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

keluaran dari PMG adalah konstan, arus eksitasi generator utama hanya bisa diatur dengan mengatur arus eksitasi yang disuplai pada generator eksiter, dimana dalam hal ini AVR yang dilengkapi alat pengontrol arus medan mengatur arus eksitasi yang disuplai pada generator eksiter. Bila arus eksitasi generator eksiter dinaikkan maka tegangan yang dihasilkan eksiter juga semakin besar.

IV.2.1 PMG (Pilot Eksiter)

Seperti halnya generator sinkron biasa, konstruksi PMG hampir sama dengan generator sinkron arus bolak-balik, kumparan jangkar diletakkan pada bagian stator dan kumparan medan digantikan oleh magnet permanen yang diletakkan dipermukaan atau ditanam dibagian rotor sehingga tidak memerlukan sumber eksitasi. Magnet yang diletakkan dipermukaan rotor dan generator dioperasikan pada kecepatan tinggi maka diperlukan alat penopang yang terbuat dari campuran baja atau fiber carbon yang menahan magnet permanen. Secara umum komponen permanent magnet generator terdiri dari stator, rotor dan magnet permanen.

1. Stator

Stator adalah bagian yang diam dari generator yang berfungsi sebagai tempat kumparan jangkar. Bentuk sator pada PMG terdiri dari dua yaitu : yang memiliki alur (slot) dan tanpa memiliki alur (slot).

a. Stator tanpa menggunakan alur

Pada generator ini kumparan jangkar diletakan di celah udara generator sehingga jumlah belitan lebih banyak karena ruang yang lebih besar, sehingga menghasilkan rugi-rugi konduktor yang rendah karena arus

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

yang mengalir lebih sedikit pada setiap kumparan. Ruang kosong celah udara lebih besar dibandingkan dengan stator dengan menggunakan alur karena kumparan jangkar berada pada celah udara sehingga kerapatan fluksi berkurang, seperti pada gambar 4.3 berikut.

Gambar 4.3 Stator tanpa menggunakan alur b. Stator dengan Alur (slot)

Alur berfungsi sebagai tempat meletakkan kumparan jangkar. Dengan menggunakan alur akan diperoleh jarak yang yang dekat antara kumparan dengan magnet untuk memngurangi kebocoran fluksi. Stator dengan menggunakan alur dapat dilihat pada gambar 4.4 berikut ini :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

2. Rotor

Rotor adalah bagian yang berputar, rotor merupakan tempat meletakkan magnet permanen, dimana pada inti rotor tersebut telah dibentuk ruang untuk meletakkan magnet permanen. Rotor dari sebuah permanent magnet generator seperti pada gambar 4.5 berikut.

Gambar 4.5 Rotor permanent magnet generator 3. Magnet Permanen

Bahan ferromagnetik adalah bahan yang paling sering digunakan. Material magnet permanen yg sering digunakan adalah Alnico, Ferrites , SmCo material, NdFeB material.

Pada Gambar 4.6 terlihat bentuk sederhana dari PMG.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Pada sistem eksitasi ini, sumber eksitasi dihasilkan oleh sebuah generator kecil dengan menggunakan Permanent Magnet generator (PMG). Pilot Eksiter merupakan generator yang memiliki magnet permanent. Oleh karena itu, generator ini sering disebut dengan Permanent Magnet Generator (PMG). Magnet permanen yang dimiliki oleh PMG ini terletak pada rotor sehingga apabila diputar akan memotong garis-garis gaya yang ada pada stator sehingga menimbulkan tegangan imbas pada stator. Tegangan imbas yang dihasilkan merupakan arus bolak-balik.

Rotornya merupakan sebuah magnet permanen yang terletak seporos dengan penguat utama dan generator utama, sedangkan pada statornya terdapat belitan jangkar sebagai tempat dihasilkannya tegangan induksi dari magnet permanen yang berputar. Daya yang dihasilkan oleh PMG ini merupakan sumber eksitasi pertama yang akan disearahkan melalui AVR dan selanjutnya diteruskan ke pengeksitasi utama (eksiter utama).

Pada saat generator belum beroperasi atau PMG belum berputar, rotor PMG telah menghasilkan fluks magnetik yang konstan. Hal ini disebabkan karena rotor dari PMG ini adalah magnet permanen. Fluks magnetik yang ditimbulkan oleh PMG tersebut akan diinduksikan pada kumparan jangkar (stator). Sehingga pada kumparan rotor tersebut akan dihasilkan fluksi magnet yang konstan. Namun pada stator tersebut belum dihasilkan tegangan induksi karena belum ada perubahan fluks terhadap waktu.

Magnet permanen apabila diputar fluks magnet akan memotong garis-garis gaya yang ada pada stator sehingga menimbulkan tegangan imbas pada stator. Tegangan imbas yang dihasilkan merupakan arus bolak-balik.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Pada saat generator diputar dari putaran nol sampai mencapai kecepatan nominal, maka pada rotor PMG akan dihasilkan medan putar. Medan putar ini akan diinduksikan pada stator. Sehingga pada stator tersebut akan dihasilkan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut.

Hasil pengukuran tegangan dan arus keluaran PMG yang pernah dilakukan adalah sebesar 170 Volt dan 3 Amp, dimana saat itu salah satu Generator bekerja dengan keluaran daya 1350 kW, frekuensi 50.03 Hz, putaran 1500rpm, dan Arus keluaran generator 2190 Amp pada tegangan 380 Volt.

PMG ini memiliki data spesifikasi sebagai berikut :

Tegangan : 170 Vac

Arus : 3 A / Phase

Frekuensi : 100 Hz

Fasa : 3 fasa 3 kawat

Jumlah Kutub : 8

Tahanan belitan satator : 2.6 Ohm

Gambar konstruksi dari rotor dan sator dari Permanent magnet generator seperti pada Gambar 4.7.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Gambar 4.7 Konstruksi rotor dan stator dari Permanent Magnet Generator

IV.2.2 Automatic Voltage Generator (AVR)

Tegangan yang dihasilkan oleh generator tidak selalu dihasilkan sesuai dengan ratingnya. Tegangan ini dapat turun atau lebih besar tergantung dengan jenis beban dan besarnya beban. Untuk beban induktif, tegangan pada generator dapat turun sehingga perlu menaikkan arus eksitasi yang diberikan, sedangkan untuk beban kapasitif, tegangan yang dihasilkan oleh generator dapat naik sehingga arus eksitasi diturunkan. Untuk menjaga tegangan keluaran generator tetap maka perlu dilakukan penambahan atau pengurangan arus eksitasi. Pengaturan tegangan pada generator agar tegangan keluarannya tetap adalah dengan menggunakan suatu rangkaian pengatur tegangan yang terdiri dari beberapa rangkaian yang saling mendukung yang sering disebut dengan Automatic Voltage Regulator (AVR).

Pengatur tegangan yang digunakan adalah AVR MX321, merupakan AVR jenis thyristor, dimana daya masukan adalah sumber tiga fasa dari PMG yang kemudian disearahkan oleh power rectifier yang terdiri dari penyearah thyristor yang merupakan bagian dari AVR MX321. Disamping sebagai pengatur tegangan,

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

rangkaian AVR juga dilengkapi alat pengontrol untuk menjamin keandalan dari generator. AVR dihubungkan dengan belitan stator generator utama melalui isolating

transformer yang berfungsi mengontrol daya yang disuplai pada stator eksiter dan

sampai pada belitan rotor generator utama untuk menjaga tegangan keluaran pada batas yang ditetapkan, jadi tugas utama dari AVR ini adalah :

a. Untuk mengatur keluaran tegangan generator b. Untuk mengatur arus ekistasi

c. Untuk mengatur Volt/Hertz

Diagram skematik proses eksitasi menggunakan AVR MX321 dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan tampilan dari AVR MX321 seperti pada Gambar 4.9.

PMG AC

Exc

Gen

VD VED SMX

PSN OEL MEL V/Hz PCR PGR PT 90R Rotating Rectifier 41E Thyristor 0 Vdc - (Negative) + (Positive) Auto 70E (1) (2) (3) (4) (5) Firing Circuit Reff

(1) 380 V (2) 380 V (3) 380 V

PT = Potensial Transformer 90 R = Voltage Setter (90R) VD = Voltage Detector VED = Voltage Error Detector SMX = Signal Mixer Auto = Switch Auto Follower 70 E = Voltage Setter (70E) PCR = Pulse Control Regulator Card PGR = Pulse Generator Regulator card OEL = Over Excitation Limitter MEL = Minimum Excitation Limitter V/Hz = Over Flux Protection Thy = Module Thyristor PSN = Netral Power Supply Reff = Refferensi Voltage 41 E = Excitation Breaker

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Gambar 4.9 Tampilan AVR MX321 Data spesifikasi AVR MX321 sebagai berikut ini :

- Input (PMG) Tegangan : 170 – 220 V ac Arus : 3 A/Phase

Frekuensi : 100 – 120 Hz nominal Fasa : 3 Fasa 3 kawat

- Output Tegangan : max 120 V dc

Arus : max 3.7 A - Proteksi Tegangan lebih AVR : 300 V ac - Proteksi Eksitasi Lebih : 75 V dc

- Sinyal masukan Tegangan : 170 – 250 V ac max Frekuensi : 50 – 60 Hz

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Skematik komponen AVR MX321 dapat dilihat pada Gambar 4.10.

Gambar 4.10 Skematik AVR MX321

Dari skematik AVR MX321 pada Gambar 4.10 ada beberapa bagian penting dalam proses eksitasi yaitu :

a. Potential Divider and Rectifier

Potential Divider and Rectifier berfungsi menerima sinyal tegangan ac keluaran generator utama sedangkan Rectifier berfungsi mengubah sinyal tegangan ac menjadi sinyal tegangan dc untuk dikuatkan pada Amplifier.

b. 3 phase rectifier

3 phase rectifier berfungsi memonitor arus keluaran generator utama, yang merupakan penyearah tiga fasa yang mengubah sinyal ac menjadi sinyal dc. c. Amplifier

Amplifier berfungsi membandingkan sinyal tegangan keluaran generator utama dengan tegangan referensi dan selisihnya (error) akan dikuatkan ke error

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

detector untuk memberikan sinyal kontrol untuk Power Control Device. Ramp Generator dan Level Detector berfungsi mengontrol periode konduksi dari Power control Device untuk menjaga tegangan pada tegangannominal.

d. Power Supply

Power Supply berfungsi menyediakan daya untuk rangkaian AVR. e. Synchronising Circuit

Synchronising Circuit atau UFRO (Under Frequency Roll Off) berfungsi menjaga hubungan antara tegangan dan frekuensi tetap kontsan (Volts/Hz). Karakteristik Volts/Hz seperti pada Gambar 4.11.

Gambar 4.11 Karakteristik Volts/Hz

AVR berkoordinasi dengan sistem proteksi putaran rendah yang memberikan karakteristik Volts/Hz ketika putaran generator dibawah set point, frekuensi minimum disetting pada level 47 Hz.

f. Power Control Device

Power Control Device berfungsi mengatur atau mengubah-ubah besarnya arus eksitasi yang disuplai pada rotor eksiter setelah mendapat sinyal dari

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

g. Circuit Breaker

Circuit Breaker berfungsi memutuskan daya pada AVR dan generator eksiter jika terjadi gangguan tegangan lebih atau gangguan eksitasi lebih.

h. Over Excitation Detector

Over Excitation Detector berfungsi memonitor tegangan eksitasi yang disuplai pada eksiter. Tegangan eksitasi maksimum dibatasi atau disetting pada level 70 Volt +/-5%. Jika terjadi kenaikan tegangan eksitasi melebihi nilai settingan maka over excitation detector memberikan sinyal untuk membuka

excitation circuit breaker.

i. Over Voltage Detector

Over Voltage Detector berfungsi memonitor tegangan pada terminal keluaran generator utama dan memberikan sinyal untuk membuka Circuit Breaker

(excitaton circuit breaker) utnuk memutuskan daya pada Eksiter dan AVR pada

saat terjadi tegangan lebih pada generator utama. Alat proteksi tegangan lebih disetting pada level 437 Volt +/-5%. Terminal AVR (E1, E0) dihubungkan pada kumparan stator generator utama.

j. Thyristor Rectifier

Thyristor Rectifier merupakan penyearah thyristor konverter gelombang penuh tiga fasa, berfungsi mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah agar dapat digunakan sebagai sumber eksitasi pada generator eksiter. Dengan menggunakan penyearah thyristor, maka besarnya arus eksitasi dapat diatur dengan cara mengatur sudut penyalaan thyristor. Peralatan yang mengubah-ubah sudut penyalaan dilakukan oleh peralatan kontrol yang terdapat pada AVR yaitu melalui Power Control Device.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Prinsip kerja dari penyearah thyristor adalah melewatkan arus sesuai dengan besarnya sudut penyalaan yang diberikan pada gerbangnya. Jika arus eksitasi generator eksiter didefenisikan sebagai Iex, maka :

ex ex ex

R V

I =

Dimana tegangan eksitasi sebesar :

α

π Cos

V

V m

ex

3 3 =

  



= −

m ex ex

V R I Cos

3 3

1

π

α

Dimana : Iex = arus eksitasi Vex = tegangan eksitasi Rex = tahanan medan eksiter Vm = puncak tegangan masukan

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Diagram satu garis generator sinkron dapat dilihat seperti pada Gambar 4.12 berikut :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

Rangkaian kontrol generator sinkron dapat dilihat seperti pada Gambar 4.13 berikut :

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

1. Proteksi Terhadap Tegangan Lebih

Proteksi tegangan lebih mencegah kerusakan pada dioda penyearah yang diakibatkan oleh tegangan lebih, seperti surja hubung (switching surge) yang berasal dari luar generator. Peralatan proteksi yang digunakan untuk mencegah keadaan tersebut adalah Surge Suppressors.

Surge Suppressors dihubungkan dengan tiap-tiap elemen diode. Ketika surja tegangan tinggi datang, maka arus listrik bertambah besar ratusan kali dalam sesaat sehingga energi surja tersebut harus disalurkan ke tanah. Surge Suppressors berada dalam keadaan membuang energi pada saat terjadi tegangan tinggi. Rangkaian surge suppresors dapat dilihat pada Gambar 4.15.

Surge suppressor

Main Rotor

Gambar 4.18 Rangkaian surge soppresors

2. Proteksi Terhadap Arus lebih

Proteksi arus lebih mencegah elemen diode break down, karena gangguan hubung singkat pada medan atau arus surja yang besar. Peralatan proteksi yang digunakan antara lain fuse yang berkecepatan tinggi, seperti pada Gambar 4.16 berikut.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

FUSE

DIODA PENYEARAH

Gambar 4.19 Rangkaian fuse pada dioda penyearah 3. Field Breaker

Filed Breaker ini digunakan sebagai pemutus medan ke Eksiter. Filed Breaker ini juga dilengkapi dengan discharging contact yang terhubung dengan field discharging resistor. Field discharging resistor berfungsi untuk melindungi rotor dari arus medan balik pada saat terjadi kerusakan pada sistem eksitasi atau pada saat generator berhenti beroperasi. Jika terjadi gangguan pada sistem eksitasi, maka field breaker akan membuka dan secara otomatis discharging contact akan menutup, sehingga arus medan yang masih tersimpan pada rotor dapat segera diperkecil dengan mengalirkan ke field discharging resistor. Rangkaian filed breaker dapat dilihat pada Gambar 4.17.

Exciter

Generator

Field Coil Discharge

Resistor Main Contact

Discharge Contact

AVR

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

4. Diode Failure Detector

Diode failure detector berfungsi untuk mendeteksi diode yang tidak bekerja atau rusak. Alat ini bekerja berdasarkan level arus ripple (ripple current) keluaran dari Eksiter dan mengindikasikan apakah salah satu diode rusak, terhubung singkat atau terbuka. Jika mendeteksi adanya diode yang gagal maka secara otomatis akan memberikan perintah untuk mematikan sistem. Data Teknis :

Suplai Tegangan DC 12 Volt

AC 200 – 280 Volt Suplai Arus DC 0.2 A max Waktu Respon 7 detik

Gambar 4.21 Skematik Diode Failure Detector

5. Excitation Loss Module

Kehilangan eksitasi dalam kondisi pararel dapat menyebabkan gangguan seperti hilangnya sinkronisasi sistem. Excitation Loss Module berfungsi memonitor kaluaran AVR dan memberikan sinyal kepada rele jika

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

terjadi gangguan berupa tanda alarm. Alat ini bekerja berdasarkan karakteristik arus (rectifier ripple) pada belitan medan eksiter.

Data Teknis :

Suplai tegangan : 12 V

Arus : 25 ma

Waktu respon : 1.5 – 2 detik

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 KESIMPULAN

Dari hasil studi yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu :

1. Besarnya penguatan dari penguatan dari penguat utama tergantung dari besarnya arus penguat dari AVR dan kecepatan putaran rotor.

2. Kenaikan arus beban (IL) akan menyebabkan perubahan tegangan terminal (VL),

agar tegangan terminal generator dapat dijaga konstan maka harus mengatur ggl induksi yang dibangkitkan dengan mengatur arus medan (If).

3. Ada beberapa keuntungan sistem eksitasi tanpa sikat dengan menggunakan PMG dibandingkan dengan sistem eksitasi yang menggunakan sikat yaitu : selama generator beroperasi tidak memerlukan penggantian sikat, sehingga meningkatkan kehandalan karena generator dapat beroperasi kontiniu dengan waktu yang lama. Dengan tidak adanya sikat arang, maka biaya perawatan sistem eksitasi dapat berkurang. Efesiensi tegangan generator dapat ditingkatkan karena tidak terjadi jatuh tegangan pada sikat.

V.II SARAN

Perawatan dan pengujian pada peralatan-peralatan sistem eksitasi brushless dengan PMG ini harus dilakukan secara berkala dan teliti. Hal ini dilakukan agar efesiensi dan kontiniu operasi generator dapat ditingkatkan.

Ennopati Pane : Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (Aplikasi Pada Generator Sinkron Di PLTD PT. Manunggal Wiratama), 2010.

DAFTAR PUSTAKA

Bimbra, P. S, ”Generalized Circuit Theory of Electrical Machines”, Khanna Publisher, India, 1975.

Chapman, Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals”, Third Edition Mc Graw Hill Companies, New York, 1999.

Fitzgerald, A. E., Charles Kingsley, JR, ”Electric Machinery”, McGraw-Hill Book Company, Inc, New York, 1971.

Lister, Eugene C & Golding, Michael R., “Electric Circuits and Machines”, First Canadian Edition, Canada, McGraw-Hill Ryerson Limited, 1987.

Marsudi, Djiteng, “Operasi Sistem Tenaga Listrik”, Penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta, 2006.

Mehta, V. K, “Principal of Electrical Machines”, S. Chand & Company Ltd, Ram Nagar, New Delhi, 2002.

Rhasid, Muhammad H, ”Power Electronic : Circuits, Devices, and Applications”, 2ND ED, Prentice Hall, 1993.

Stamford AC Generators, “ Instalation, Service & Maintenance Manual”, Newage International.

Theraja, B. L, “A Text Book of Electrical Technology”, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001.