BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Generator Sinkron - Analisis Vibrasi Pada Generator Sinkron (Studi Kasus Pada Pltu Pangkalan Susu 2 x 200 Mw)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Generator Sinkron

Generator arus bolak – balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak – balik. Generator arus bolak – balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator .

Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub – kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin ini tidak dapat dijalankan sendiri karena kutub – kutub rotor tidak dapat tiba – tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala – jala. Generator arus bolak – balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu: a. Generator arus bolak – balik 1 phasa b. Generator arus bolak – balik 3 phasa

Gambar diagram kedua bentuk generator arus bolak – balik tersebut dapat dilihat dari gambar 2.1 berikut.

(a) (b)

Gambar 2.1 (a) Diagram Generator AC Satu Fasa Dua Kutub

(b) Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub

13 Perbedaan prinsip antara generator DC dengan generator AC adalah letak kumparan jangkar dan kumparan statornya. Pada generator DC, kumparan jangkar terletak pada bagian rotor dan kumparan medan terletak pada bagian stator. Sedangkan pada generator AC, kumparan jangkar terletak pada bagian stator dan kumparan medan terletak pada bagian rotor.

2.2 Konstruksi Generator Sinkron

Pada generator sinkron, arus DC yang dipasang ke belitan rotor akan menghasilkan medan magnet rotor. Kemudian rotor akan diputar dengan suatu kecepatan tertentu oleh sebuah penggerak mula, memutarkan medan magnet didalam mesin dan menginduksikan tegangan pada belitan stator.

Rotor dari generator ini, pada dasarnya merupakan elektromagnet yang besar, dimana konstruksi kutub-kutubnya dapat berupa kutub menonjol dari permukaan rotor, dan bentuknya seperti tapak sepatu sehingga sering juga disebut dengan rotor bentuk kutub sepatu. Bentuk kutub tidak menonjol adalah konstruksi kutub-kutubnya sama tinggi dengan permukaan rotor yang berbentuk silinder, sehingga bentuk ini sering juga disebut dengan rotor silinder.

Rotor-rotor ini sifatnya untuk menghasilkan medan magnet, maka laminasinya perlu dibuat sedemikian rupa untuk menghasilkan rugi-rugi eddy sekecil mungkin.

Dalam hal ini, arus searah harus disuplai ke rangkaian medan dirotor, yang pada dasarnya dapat dilakukan dengan dua metode yaitu :

1. Suplai arus searah berasal dari sumber tegangan eksternal dengan cara menghubungkannya ke terminal belitan medan melalui slipring dan sikat.

2. Suplai arus searah berasal dari sumber daya khusus yang terpasang langsung pada poros generator tersebut.

Pada prinsipnya, konstruksi generator sinkron sama dengan motor sinkron. Secara umum, konstruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris. Selain itu generator sinkron memiliki celah udara ruang antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluksi atau induksi energi listrik dari rotor ke-stator.

Pada Gambar 2.2 dapat dilihat konstruksi sederhana dari sebuah generator sinkron secara umum :

Gambar 2.2 Konstruksi Generator Sinkron Secara Umum

2.2.1 Rotor

Rotor terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:

1. Slip Ring Slip ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor tetapi dipisahkanoleh isolasi tertentu. Terminal kumparan rotor dipasang ke slip ring inikemudian dihubungkan ke sumber arus searah melalui sikat (brush) yangletaknya menempel pada slip ring.

2. Sikat Sebagian dari generator sinkron ada yang memiliki sikat ada juga yang tidak memiliki sikat. Sikat pada generator sinkron berfungsi sebagai saklar putar untuk mengalirkan arus DC ke-kumparan medan pada rotor generator sinkron. Sikat terbuat dari bahan karbon tertentu.

3. Kumparan Rotor (Kumparan Medan) Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalammenghasilkan medan magnet. Kumparan ini mendapat arus searah dari sumbereksitasi tertentu.

4. Poros Rotor Poros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan, dimana pada poros rotor tersebut telah dibentuk slot-slot secara parallel terhadap poros rotor.

Bentuk suatu rotor dari generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.3 berikut:

Gambar 2.3 Rotor Generator Sinkron

Rotor pada generator sinkron pada dasarnya sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan megnet rotor dapat berupa salient pole (kutub menonjol) dan non salient pole (kutub selinder atau tak menonjol).

1. Rotor Kutub Menonjol (Salient Pole Rotor) Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan medannya terjadi dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek.

Selain itu jenis kutub salient pole, kutub magnetnya menonjol keluar dari permukaan rotor. Belitan-belitan medan dihubung seri. Ketika belitan medan ini disuplai oleh eksiter, maka kutub yang berdekatan akan membentuk kutub yang berlawanan.

Bentuk kutub menonjol generator sinkron tampak seperti Gambar 2.4 berikut :

Gambar 2.4 Rotor Kutub Menonjol Generator Sinkron

Rotor kutub menonjol umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran rendah dan sedang (120-400 rpm). 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 :

Konstruksi kutub menonjol tidak terlalu kuat untuk menahan tekanan  mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi.

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

2. Rotor Kutub Tak Menonjol (Rotor Silinder) Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silender yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang dapat dibuat. Belitan-belitan medan dipasang pada alur-alur disisi luarnya dan terhubung seri yang dienerjais oleh eksiter.

Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugi- rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor).

Gambar bentuk kutub silinder generator sinkron tampak seperti pada Gambar 2.5 berikut :

Gambar 2.5 Rotor Kutub Silinder Generator Sinkron

Rotor silinder umumnya digunakan pada generator sinkron dengan kecepatan putaran tinggi (1500 atau 3000 rpm) biasanya digunakan untuk pembangkit listrik berkapasitas besar misalnya pembangkit listrik tenaga uap dan gas. Rotor silinder baik digunakan pada kecepatan tinggi karena :

 sehingga lebih baik dari kutub menonjol.

Distribusi disekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus

 Konstruksinya memiiki kekuatan mekanik pada kecepatan putar tinggi.

2.2.2 Stator

Stator (armature) adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat untukmenerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui stator. Komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak.

Bentuk suatu stator dari generator sinkron dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut :

Gambar 2.6 Stator Generator Sinkron

Stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu:

1. Rangka stator Rangka stator merupakan rumah (kerangka) yang menyangga intijangkar generator.

2. Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besimagnetic khusus terpasang ke rangka stator.

3. 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 2.7 berikut :

Gambar 2.7 Bentuk-bentuk Alur

4. Kumparan Stator (Kumparan Jangkar) Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga. Kumparan inimerupakan tempat timbulnya ggl induksi.

2.3 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron

Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator.

Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan induksi dengan tegangan terminal adalah:

1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator, disebut reaksi jangkar.

2. Induktansi sendiri kumparan jangkar.

3. Resistansi kumparan jangkar.

4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.

21 Stator terdiri dari belitan-belitan. Suatu belitan konduktor akan terdiri dari tahanan Ra dan induktansi Xla maka rangkaian ekivalen suatu generator sinkron dapat dibuat seperti Gambar 2.8.

X X R adj ar ia a

I R a

V f

E a

V L F

Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron

Dengan melihat Gambar 2.14 maka dapat ditulis Persamaan tegangan generator sinkron sebagai berikut : Ea = V + jXarIa + jXlaIa + RaIa..........................................(2.1)

Dan persamaan terminal generator sinkron dapat ditulis V = Ea – jXarIa – jXlaIa – RaIa..........................................(2.2)

Dengan menyatakan reaktansi reaksi jangkar dan reaktansi fluks bocor sebagai reaktansi sinkron, atau Xa = Xar + Xla dapat dilihat pada Gambar 2.15 maka persamaan menjadi :

(Volt)............................................(2.3) V = − − Sehingga rangkaian ekivalen generator sinkron tiga fasa dapat digambarkan.

Gambar di bawah ini menunjukkan rangkaian penuh dari suatu generator sinkron tiga fasa :

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Phasa

Gambar di atas menunjukkan suatu sumber DC (V ) yang disuplai ke

rangkaian medan rotor (yang ditunjukkan oleh induktansi dan resistani yang terhubung seri). Resistor (R ) dihubungkan secara seri dengan resitor yang dapat di

F atur (R ) , dimana R dapat mengontrol besarnya nilai arus medan (I ). adj adj

Sehingga rangkaian ekivalen dari rotor suatu generator sinkron ditunjukkan oleh Gambar berikut:

Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Rotor pada Generator Sinkron

Jika ketiga fasa generator sinkron identik semua nilainya (kecuali sudut fasanya), maka dapat digunakan rangkaian ekivalen generator untuk tiap fasa seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Perfasa

Hal yang harus diperhatikan ketika menggunakan rangkaian ekivalen perfasa adalah : ketiga fasa mempunyai tegangan dan arus yang sama hanya ketika beban yang dilayani olehnya seimbang. Jika beban generator tidak seimbang, maka rangkaian ekivalen perfasa ini tidak dapat digunakan.

2.4 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Jika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnit yang terletak di antara kutub magnit utara dan selatan diputar oleh prime

mover, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnit atau fluks yang

bersifat bolak – balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memotong – motong kumparan stator sehingga pada ujung – ujung kumparan stator timbul gaya geraklistrik karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik (ggl) yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak – balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor.

Secara singkat prinsip kerja generator sinkron dapat dijelaskan sebagai berikut : 1) Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka 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 pada kecepatan nominalnya persamaan

r f 

(2.4)

120 yang mana: fe = frekuensi listrik (Hz) nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm) p = jumlah kutub magnet

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 pada kumparan jangkar yang terletak di stator akan dihasilkan fluks magnetik yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung- ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan persamaan (2.5) = −

(2.5) dimana

E = ggl induksi (Volt) N = Jumlah belitan C = Konstanta p = Jumlah kutub n = Putaran (rpm) f = Frequensi (Hz) 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 fasa 120 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.

2.5 Kecepatan Putar Generator Sinkron

Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:

= 60 2 Dimana: f = frekuensi listrik (Hz) n = kecepatan putar rotor (rpm) p = jumlah kutub magnet P/2 = jumlah pasang kutub

Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputardengan kecepatan 3600 rpm.Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.

2.6 Internal Generator Sinkron

Besarnya tegangan induksi yang dibangkitkan pada stator sesuai dengan Hukum Faraday yang menyatakan bahwa :

(2.6) = −

Dimana : : Gaya gerak listrik induksi

: Jumlah kumparan : Laju fluks magnet

2.7 Diagram Fasor

Gambar 2.12 Diagram fasor (a) Faktor daya satu (b) Faktor daya tertinggal

(c) Faktor daya mendahului Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea) atau tegangan pada saat tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya arus jangkar (Ia) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk faktor keja yang berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar Ia diperlihatkan pada gambar 2.12

2.8 Torsi dan Daya Generator Sinkron

Generator sinkron adalah mesin sinkron yang bekerja dengan mengkonversikan daya mekanis ke daya listrik tiga fasa . Sumber daya mekanis ini disebut penggerak mula yang mempunyai putaran konstan. Bila hal ini tidak dipenuhi dapat menyebabkan frekuensi yang dihasilkan generator tidak sesuai yang diinginkan.

Secara teori bahwa daya mekanis yang dihasilkan penggerak mula oleh generator sinkron diubah menjadi daya elektrik. Perbedaan antara daya output dan daya input mesin sinkron dinyatakan sebagai rugi-rugi mesin.

Rugi-rugi ini diperlihatkan ada gambar 2.13, daya input mekanis pada poros generator (P ) :

P = . (2.7)

Dan daya yang dikonversikan dari mekanikal menjadi elektrikal yang prosesnya terjadi dalam mesin adalah P conv . (2.8)

= P conv = 3 Ea Ia cos (2.9)

29 Dimana adalah sudut antara Ea dan Ia. Perbedaan antara daya input dan daya yang dikonversikan dalam generator dinyatakan dalam rugi-rugi mekanis dan rugi-rugi inti dan rugi sasar (stray) pada generator.

Gambar 2.13 Diagram aliran daya generator sinkron

Dan besar daya output yang sebenarnya dapat ditulis dalam bentuk persamaan : Untuk tegangan jala-jala

Pout = √3. V T.

I L . cos (2.10)

Untuk tegangan phasa Pout = 3. Vϕ .

I A . cos (2.11)

Output daya reaktif Qout =√3. V T.

I L . sin (2.12)

Besarnya torsi induksi pada generator ini dinyatakan dalam persamaan : = k .B

R x B S

(2.13) Sedangkan besarannya :

= k .B

R B net

.sinδ (2.14) Dimana δ adalah sudut magnetik antara rotor dengan medan magnet (sudut torsi). Cara lain untuk torsi induktif pada generator sinkron dapat dikembangkan pari persamaan P . ,torsi dapat dinyatakan juga dalam bentuk :

conv =

3. Vφ E sin δ (2.15)

ω Xs

Persamaan diatas menyatakan torsi induksi dalam bentuk besarn listrik,sedangkan persamaan = k .B x B menunjukkan persamaan dalam

R S bentuk mekanik.

2.9 Generator Sinkron Tanpa Beban

Dengan memutar generator sinkron diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (I ), maka tegangan (E ) akan terinduksi pada kumparan

f jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.

E = c.n.Φ (2.16) Dimana : c = konstanta mesin n = putaran sinkron Φ = fluks yang dihasilkan oleh I

Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (I f ). Apabila arus medan (I f ) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga E seperti yang terlihat pada kurva sebagai berikut.

31 Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan output juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh) seperti diperlihatkan pada gambar 2.13 berikut.

(a) (b)

Gambar 2.14 (a) Kurva Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban

(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tanpa Beban

2.10 Generator Sinkron Berbeban

Bila generator diberi beban yang berubah – ubah maka besarnya tegangan terminal Vt akan berubah – ubah pula. Hal ini disebabkan adanya :

Jatuh tegangan karena resistansi jangkar (R

)

Jatuh tegangan karena reaktansi bocor jangkar (X

)

Jatuh tegangan karena reaksi Jangkar

Gambar rangkaian dan karakteristik generator sinkron berbeban diperlihatkan pada gambar 2.15 berikut ini.

(a) (b)

Gambar 2.15 (a) Kurva Karakteristik Generator Berbeban

(b) Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Berbeban Persamaan tegangan pada generator berbeban adalah:

Ea = V + IaRa + j IaXs (2.17)

Xs = X L + Xa (2.18)

Dimana: Ea = tegangan induksi pada jangkar per phasa (Volt) V = tegangan terminal output per phasa (Volt)

Ra = resistansi jangkar per phasa (ohm) Xs = reaktansi sinkron per phasa (ohm)

X L = reaktansi bocor per phasa (ohm) Xa = reaktansi reaksi jangkar per phasa (ohm)

2.11 Teori Dasar Getaran

Getaran adalah gerakan osilasi disekitar sebuah titik, gerakan massa yang diberikan gaya (forced vibration) tanpa friction/gesekan. Getaran mesin adalah gerakan suatu bagian mesin maju dan mundur dari keadaan diam. Getaran yang ditimbulkan pada suatu mesin dapat mengambarkan kondisi gerakan-gerakan yang tidak diinginkan pada komponen-komponen mesin. Contoh sederhana ditunjukkan pada suatu getaran pegas dapat dilihat pada Gambar 2.16.Gerakan massa dari posisi netral menuju batas puncak, kembali ke posisi netral, lalu menuju batas bawah dan kembali ke posisi netral dapat diwakilkan dengan gerakan satu putaran lingkaran.

Gerakan satu putaran lingkaran ini memberikan informasi terpenting dalam pengukuran getaran. Pergerakan yang kontinu akan menghasilkan gerakan periodik atau harmonik.

Gambar 2.16 Getaran Murni

2.12 Karakteristik Getaran

Kondisi suatu mesin dan masalah-masalah kerusakan mekanik yang terjadi dapat diketahui dengan mengukur karakteristik sinyal getaran pada mesin tersebut dengan mengacu pada gerakan pegas. Karakteristik suatu getaran dengan memetakan gerakan dari pegas tersebut terhadap waktu. Pada Gambar 2.16 ,menjelaskan tentang karakteristik getaran.

Gambar 2.16 Karakteristik getaran

2.12.1 Perpindahan Getaran (Vibration Displacement)

Pada Gambar 2.16, Perpindahan Getaran atau Vibration Displacement di tunjukan pada getaran dengan jarak yang ditempuh dari suatu puncak ke puncak (peak to peak), Perpindahan tersebut pada umumnya dinyatakan dalam satuan mikron (μm) atau mils. Dimana : 1 μm = 0,001 (mm) dan 1 mils = 0,001 (inch).

2.12.2 Kecepatan Getaran ( Vibration Velocity )

Pada Gambar 2.16, Kecepatan Getaran di notasikan dengan dua keadaan yaitu (peak) dan menurut ISO menggunakan (rms). Pada gerak periodik getarankecepatan maksimum terjadi pada titik (posisi netral) sedangkan kecepatan minimum titik puncak atas (top or crest) dan titik puncak bawah (bottom or

trough), Kecepatan getaran maksimum ini biasanya dalam satuan : mm/det atau

peak atau mm/s-pk atau inches (ips-pk).

35 Untuk root mean square (rms). Nilai peak = 1,414 x nilai rms. Kadang-kadang digunakan juga satuan inch/sec (peak) atau inch/sec (rms), 1 inches = 25,4 (mm) .

2.12.3 Percepatan Getaran (Vibration Acceleration )

Pada Gambar 2.16, karakteristik getaran lain dan juga penting adalah percepatan. kecepatan getaran adalah nol titik puncak atas (top or crest) dan titik puncak bawah (bottom or trough), tetapi pada bagian-bagian tersebut akan mengalami percepatan mengalami nilai maksimum. Sedang pada kondisi netral percepatan getaran adalah nol. Secara teknis percepatan adalah laju perubahan dari kecepatan. Percepatan getaran pada umumnya dinyatakan dalam, satuan “g”,dimana satu “g” adalah percepatan yang disebabkan oleh gaya gravitasi pada permukaan bumi. Sesuai dengan perjanjian intemasional satuan gravitasi pada permukaan bumi “g” adalah 9,0665 (m/det2), 386,087 (in/det2) atau 32, 1739 (ft/det2) .

2.12.4 Frekuensi (Frequency)

Pada Gambar 2.14 , titik A sampai titik E merupakan cycle kesatu, pada titik E sampai titik I cycle kedua, pada titik I sampai titik M cycle ketiga, danseterusnya. Pada titik puncak atas (top or crest) nilai maksimum positif diatasgaris dasar (line reference) dan titik puncak bawah (bottom or trough) nilaimaksimun negatif dibawah garis dasar (line reference). Satu gelombang terdiridari titik puncak atas (top or crest) dan titik puncak bawah. frekuensi dari getarantersebut biasanya dinyatakan sebagai jumlah siklus getaran yang terjadi tiap menit (CPM = Cycles per minute). Sebagai contoh sebuah mesin bergetar 60 kali (siklus; dalam 1 menit maka frekuensi getaran mesin tersebut adalah 60 CPM. Frekuensi bisa juga dinyatakan dalam CPS (cycles per second) atau Hertz dan putaran dinyatakan dalam revolution per minute (RPM). Frekuensi = 1/periode[1].

Gambar 2.17 Fundamental Gelombang

2.12.5 Amplitudo (Amplitude)

Pada gambar 2.4 gelombang 1 dan gelombang 2 mempunyai panjang gelombang yang sama, tetapi titik puncak atas (top or crest) dan titik puncak bawah (bottom or

trough ) berbeda. Jarak antara garis dasar (line reference) dan titik puncak atas (top

or crest) disebut Amplitudo (Amplitude) .

2.9.6 Fase (Phase)

Pada gambar 2.5, terlihat bentuk gelombang dengan intensifikasi amplitudo dan frekuensi, tetapi titik puncak atas (top or crest) mengalami pergeseran (offset) dengan jarak T/4 disebut sudut fase ( phase angle). Jarak T =360°, sehingga sudut fasenya = 90° .

Gambar 2.17 Hubungan Fase dalam gelombang yang sama.

2.13 Jenis –Jenis Vibrasi

Vibrasi diklasifikasikan menjadi dua kategori yaitu : 1) Vibrasi bebas

Vibrasi bebas adalah vibrasi suatu benda yang terjadi tanpa adanya hentakan – hentakan dari luar benda itu secara terus menerus. Jadi yang disebut sebagai getaran bebas yaitu benda tersebut bergetar sendiri setelah bebas dari gangguan - gangguan tersebut diatas. Sebagai contoh sederhana adalah sebuah bell yang dipukul sekali saja maka pada bell itu terjadi vibrasi bebas yang makin lama makin kecil.

2) Vibrasi paksa Vibrasi paksa terjadi hampir pada seluruh mesin-mesin yang sedan beroperasi. Pada contoh diatas sebuah bell yang dipukul, apabila pukulan itu dilakukan secara terus - menerus, maka vibrasi yang terjadi adalah vibrasi paksa. Jika gaya pada pukulan itu tetap dan berulang secara sama,maka vibrasi bell akan stabil yaitu besar dan frekuensinya tetap.

2.14 Penyebab Terjadinya Vibrasi

Vibrasi adalah pergerakan dar rotor generator atau komponennya yang keluar dari titik netralnya.Vibrasi atau getaran yang ditimbulkan oleh peralatan yang berputar semisal motor, pompa, fan dan sejenisnya akan memberikan petunjuk tentang kondisi dari peralatan tersebut berada dalam kondisi yang baik ataukah sebaliknya.Secara umum penyebab terjadinya anomali getaran pada sebuah peralatan yang berputar adalah sebagai berikut :

1) Unbalance atau imbalance Unbalance adalah terjadinya pergeseran titik pusat massa dari titik pusat putarnya sehingga akan menimbulkan getaran yang tinggi.

2) Misalignment

Vibrasi yang disebabkan oleh penyambungan poros yang tidak simetris

dan besarannya tergantung dari ketidaksimetrisan penyambunganya, semakin tidak simteris penyambungan poros pada sebuah peralatan maka menyebabkan vibrasi akan semakin tinggi. Gejala vibrasi yang diakibatkan oleh misalignment hampir sama dengan gejala unbalance akan tetapi dengan menggunakan vibriometer yang memadai akan lebih mudah membedakan antara unbalance dan misalignment yaitu dari analisa sudut fasanya. Terdapat beberapa jenis misalignment seperti misalignment pada sambungan kopling, sabuk, rantai, roda gigi dan lain-lain.

3) Oil whirl dan oil whi

39 Vibrasi ini terjadi pada journal bearing yaitu pada mesin-mesin dengan sistem pelumasan minyak bertekanan, serta mesin putaran tinggi (di atas putaran kritis pertama). 4) Gesekan (rubbing)

Gesekan antara bagian yang berputar dengan bagian yang tetap

disebut rubbing. Gesekan ini bisa terjadi secara terputus-putus (intermitent) atau secara terus menerus (continue) selama berputar.

5) Variasi beban

Beban besar (overload) pada mesin dapat menyebabkan vibrasi

yang tinggi. Untuk melakukan analisa dari fenomena ini maka karakstristik pengoperasian mesin harus difahami, sehingga dalam mengukur getaran dasar (baseline vibration) sangat penting untuk memperhatikan variasi getaran terhadap beban, tekanan dan temperatur. 6) Themal Sensitivity

Termal sensitivitas pada rotor generator adalah sebuah fenomena yang terjadi pada sebuah rotor generator yang menyebabkan perubahan vibrasi pada rotor generator seiring dengan perubahan arus medan. Pada dasarnya termal sensitivitas dapat disebabkan oleh distribusi temperatur yang tidak sama disekitar permukaan rotor atau akibat gaya aksial yang terdistribusi tidak merata pada rotor dikarenakan perbedaan koefisien termal ekspansi yang besar antara belitan yang terbuat dari tembaga dan ini rotor yang terbuat dari campuran baja. Jika ada ketidakseimbangan pada area seputar belitan rotor secara mekanik maupun elektrik, generator akan terbebankan secara tidak merata yang akan menyebabkan rotor bengkok dan menyebabkan perubahan besaran vibrasi.

2.15 Vibrasi Generator dan Sensitivitas Thermal (Thermal Sensitivity)

Analisa stabilitas thermal dilakukan ketika tidak diketahui asal terjadinya vibrasi pada generator. Tujuan dari analisa ini adalah mempersempit analisa asal penyebab terjadinya vbrasi dengan menganalisa pengaruhnya terhadap arus medan (I ) yang terjadi pada belitan medan. Thermal sensitivity adalah problem pada

kumparan rotor generator yang disebabkan terjadinya ketidaksamaan/tidak meratanya kuat medan elektromagnetik sehingga rotor menjadi bengkok karena tekanan medan elektromagnetik yang tidak merata tersebut dan menimbulkan vibrasi di luar batas yang dipersyaratkan.

Sensitivitas thermal merupakan sebuah fenomena yang terjadi pada rotor ketika perubahan vibrasi berbanding lurus dengan perubahan arus medan (I f ).

Penyebab sensitivitas termal adalah ketidakseimbangan distribusi panas disekitar belitan rotor atau akibat gaya aksial yang terdistribusi tidak merata pada rotor dikarenakan perbedaan koefisien termal ekspansi yang besar antara belitan yang terbuat dari tembaga dan ini rotor yang terbuat dari campuran baja.

Jika ada ketidakseimbangan pada area seputar belitan rotor secara mekanik maupun elektrik, generator akan terbebankan secara tidak merata yang akan menyebabkan rotor bengkok dan menyebabkan perubahan besaran vibrasi.

Secara umum, sensitivitas termal dibagi menjadi dua jenis termal, keduanya tergantung pada perubahan arus eksitasi. Tipe reversible artinya perubahan getaran

41 mengikuti perubahan arus eksitasi sedangkan tipe irreversible artinya perubahan arus eksitasi tidak berpengaruh pada perubahan besaran vibrasi yang ditimbulkanya. Jika situasi ini terjadi perlu dilakukan pemeriksaan lebih lanjut pada kondisi rotor. Tipe reversibe dan irreversible terlihat pada gambar ,yang menunjukkan pengaruh arus eksitasi (I f ) terhadap vibrasi pada rotor generator.

(a) (b)

Gambar 2.18 (a) Tipe Reversible (b) Tipe Irreversible

2.16 Kurva Kapabilitas (Curve Capability)

Generator adalah mesin listrik yang berfungsi merubah energi mekanik yang berasal dari turbin sebagai penggerak mula (prime mover) menjadi energi listrik. Untuk memudahkan operator pada umumnya setiap generator dilengkapi dengan Capability Curve, kurva ini berupa korelasi batasan operasi pembebanan generator. Dalam banyak kasus termal sensitivitas tidak menyebabkan generator tidak beroperasi, melainkan hanya membatasi operasi pada arus eksitasi yang rendah saja untuk menghindari peningkatan vibrasi

Dari grafik kurva kapabilitas pada gambar berikut terlihat ada 3 daerah operasi. Daerah A-B dibatasi oleh temperatur kumparan medan, B-C dibatasi temperatur kumparan jangkar dan C-D dibatasi temperatur inti kumparan jangkar. Secara umum termal sensitivitas tidak dipengaruhi pola operasi B-C dan C-D, hal ini karena pada kedua kurva pola operasi B-C dan C-D diatas tidak besar.

Gambar 2.19 Kurva Kapabilitas secara umum

Jika level vibrasi masih berada dalam keadaan yang dapat diterima, sensitivitas termal tidak menjadi sebuah masalah besar. Masalah akan terjadi jika selama masa operasi jika vibrasi melebihi batas yang dapat diterima oleh kurva kapablilitas. Pada gambar 2.20 dibawah akan diperlihatkan kapabilitas dari generator sinkron pada PLTU Pangkalan Susu, khususnya sehingga dapat diketahui batasan operasi pembebanan generator.

Gambar 2.20 Kurva Kapabilitas Generator Sinkr Kurva Kapabilitas Generator Sinkron PLTU Pang. Susu on PLTU Pang. Susu

Pada gambar dibawah terlihat skematik diagram beaaring yang terdapat Pada gambar dibawah terlihat skematik diagram beaaring yang terdapat Pada gambar dibawah terlihat skematik diagram beaaring yang terdapat pada PLTU Pangkalan Susu. Bearing yang diamati adalah bearing pada pada PLTU Pangkalan Susu. Bearing yang diamati adalah bearing pada generator pada PLTU Pangkalan Susu. Bearing yang diamati adalah bearing pada yaitu bearing 6 dan bearing 7. Pengukuran generator dilakukan pada arah radial yaitu bearing 6 dan bearing 7. Pengukuran generator dilakukan pada arah radial yaitu bearing 6 dan bearing 7. Pengukuran generator dilakukan pada arah radial (horizontal dan vertikal) dan pada arah axial. (horizontal dan vertikal) dan pada arah axial.

Gambar 2.21 Layout bearing generator sinkron PLTU Pangkalan Susu 220 MW Gambar 2.21 Layout bearing generator sinkron PLTU Pangkalan Susu 220 MW Gambar 2.21 Layout bearing generator sinkron PLTU Pangkalan Susu 220 MW

Penyebab Sensitivitas Thermal

2.17 Penyebab Sensitivitas Thermal

Beberapa hal yang bisa menyebabkan terjadinya fenomena sensitivitas hal yang bisa menyebabkan terjadinya fenomena sensitivitas hal yang bisa menyebabkan terjadinya fenomena sensitivitas

termal adalah sebagai berikut : termal adalah sebagai berikut : Short turn ( Hubung Singkat) Short turn ( Hubung Singkat) 

Short turn terjadi karena adanya breakdown pada isolasi diantara Short turn terjadi karena adanya breakdown pada isolasi diantara Short turn terjadi karena adanya breakdown pada isolasi diantara beliatan. Short turn merupakan faktor utama dari terjadinya thermal beliatan. Short turn merupakan faktor utama dari terjadinya thermal beliatan. Short turn merupakan faktor utama dari terjadinya thermal sensitivity.Kelayakan dari operasi generator sendiri sangat bergantung sensitivity.Kelayakan dari operasi generator sendiri sangat bergantung sensitivity.Kelayakan dari operasi generator sendiri sangat bergantung pada penyebaran dan jumlah hubung singkat yang terjadi. Dalam proses pada penyebaran dan jumlah hubung singkat yang terja di. Dalam proses start/stop unit yang berulang-ulang, gesekan akan lebih sering terjadi antara belitan dengan belitan akibatnya akan mengikis isolasi antara belitan. Jika terjadi hubung singkat lebih besar pada belitan yang satu dengan yang lainnya, maka resistansi belitan akan lebih rendah dari yang lainnya akibatnya terjadi perbedaan temperatur. Oleh karena perbedaan distribusi panas yang tidak merata ini, menyebabkan peristiwa pembengkokan rotor yang akan berbanding lurus dengan arus eksitasi ( I f ) yang terjadi.

Ventilasi pendingin tertutup  Tertutupnya lubang pendingin dapat secara signifikan mempengaruhi keseimbangan temperatur dari rotor generator. Ini dapat terjadi jika ada benda asing masuk kedalam kumparan medan dan menutupi lubang ventilasi dan pendingin. Permasalahan permasalahan ini membuat distribusi temperatur menjadi tidak sama, yang kemudian mempengaruhi kumparan medan dan akhrinya menyebabkan reversible

thermal sensitivity.

 Jarak antar blok pada end winding rotor generator harus sesuai, pas dan seragam. Jarak yang tidak sama dapat mengakibatkan gaya yang tidak seragam pada core (steel field forging) melalui retaining ring sehingga bisa mengakibatkan reversible thermal sensitivity.

Perbedaan ketebalan block pemisah pada ujung belitan

2.18 Standar Vibrasi

45 Untuk mengetahui suatu mesin kondisi umum kelayakan mesin yang beroperasi dan mengetahui mesin tersebut layak atau tidak layak untuk beroperasi pada batas vibrasi tertentu. Maka diperlukan standar vibrasi yang digunakan untuk mengetahui tahap kerusakan mesin akibat vibrasi yaitu ISO 7919−2:2001. Tabel 2.1 dibawah merupakan batas perpindahan getaran yang terbagi pada beberapa zona aman dan tidak aman.

Tabel 2.1 – Recommended values for maximum relative displacement of the shaft for steam turbines and generators at the zone bounderies.

Zone Boundary Shaft rotational speed (r/min) 1500 1800 3000 3600

Peak to peak displacement of shaft ( )

A/B 100

75 B/C 200 185 165 150 C/D 320 290 260 240

Berikut adalah zona evaluasi yang diizinkan untuk vibrasi rotor mesin yang menyediakan petunjuk untuk melakukan tindakan preventif selanjutnya. Zone A : Vibrasi pada mesin yang berada dalam tahap commisioning. Zone B : Mesin dengan vibrasi pada zona ini adalah dalam keadaan normal dan dapat diterima untuk operasi jangka panjang. Zona C: Mesin dengan vibrasi pada zona ini dianggap tidak bekerja dengan baik untuk operasi jangka panjang dan merupakan zona ALARM. Zone D : Vibrasi pada zona ini dapat menyebabkan kerusakan pada mesin dan merupakan zona TRIP.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Generator Sinkron - Analisis Vibrasi Pada Generator Sinkron (Studi Kasus Pada Pltu Pangkalan Susu 2 x 200 Mw)