Pengenalan Generator, Exciter, dan AVR

BAB I GENERATOR

1.1.  Prinsip Kerja Generator:

1.1.1  Magnetism dan Electromagnetism

Suatu material mempunyai kemampuan menarik ataupun menolak satu sama lain disebut dengan istilah magnet atau biasa disebut ferromagnetic dimana material tersebut mengandung unsur besi ataupun campuran beberapa logam.  Magnet selalu mempunyai dua kutub (pole) yang disebut kutuh utara dan kutub selatan. Dua kutub utara atau pun kutub sejenis akan saling tolak sedangkan kutub berlawanan akan saling tarik menarik. Medan magnet di definiskan sebagai bentuk fisik dari kedua kutub tersebut. Kekuatan dan arah medan magnet ditentukan dari tolak menolak atu tarik menarik di antara kedua magnet tersebut.

Material yang mempunyai kemagnetan dalam waktu lama disebut dengan istilah permanent magnet. Permanent magnet digunakan pada beberapa type mesin listrik termasuk mesin synchronous. Pada generator yang mempunyai kapasitas besar, medan magnet dapat diciptakan melalui arus listrik yang mengalir pada konduktor. 

Gambar 1. Kutub manget yang berbeda akan salik tarik menarik

Gambar 2. Kutub manget sejenis akan salik tolak menolak

Gambar 3. Medan magnet tercipta disekitar konduktor yang mengalir arus listrik

1.1.2  Aliran listrik

Aliran Listrik adalah aliran muatan positive ataupun muatan negative yang mengalir pada material konduktor atau pun pada ruangan yang mengandung ion. Aliran listrik akan kita jumpai pada generator yang terdapat pada stator dan rotor generator.

Gambar 4. Aliran listrik pada konduktor (penghantar)

Gambar 5. Aliran listrik pada saat cuaca mendung 

1.1.3  Arus bolak balik (AC)

Generator dapat beroperasi menghasilkan arus bolak balok (alternating current , AC) dan arus searah (direct current, DC). Arus DC dapat diartikan dimana arus yang mempunyai frequency sama dengan nol. Frequency dari arus AC didefinisikan sebagai jumlah arus atau tegangan yang berubah polarity dalam satuan waktu tertentu. Satuan frequency yang digunakan adalah Hertz atau putaran per second. 

Pada saat generator beroperasi akan menghasilkan tegangan sinusoidal dan jika terhubung ke beban akan mengalir arus sinusoidal pula. Karakteristik dari jaringan beban ditentukan dengan sifat resistive, capacitive dan inductive. Sudut yang terjadi antara arus dan tegangan disebut sudut daya (power angle). Cosinus dari sudut daya disebut dengan power factor (PF).

Beban dengan sifat capacitive murni maka arus mendahului (Leading) dari tegangan sebesar 90⁰. Beban dengan sifat inductive murni maka arus tertinggal (Lagging) dari tegangan sebesar 90⁰. Rangkaian yang mempunyai capacitive atau inductive disebut dengan rangkaian reactive, dengan istilah daya sebagai berikut:

S daya semu (apparent power) S = tegangan x arus = VA.

P   daya active (active power) P = tegangan x arus x cos pi  = Watt

Q  daya reactive (reactive power) Q = tegangan x arus x sin pi  = VAR

1.1.4  Prinsip Dasar Operasi

Untuk memahami prinsip dasar operasi generator maka sebaiknya mengetahui hukum dasar yang dipergunakan dalam operasi generator sehingga dapat lebih memahami fungsi dari peralatan generator. Di antara hukum yang digunakan dalam operasi generator adalah:

➢  Hukum Faraday (Michael Faraday 1791-1867) yang terdiri dari dua yaitu (Gambar 5 ):

o    Apabila sebuah konduktor bergerak memotong garis gaya flux magnetic, maka akan terinduksi tegangan pada kedua ujung konduktor tersebut, atau.

o    Jika flux magnet berubah-ubah terhadap sebuah rangkain dari konduktor, maka akan tercipta tegangan induksi pada rangkaian tersebut.

Gambar 6. Ilustrasi Hukum Faraday

➢  Hukum Ampere-Biot-Savart (Andre Marie Ampere 1775-1836, Jean Baptiste Biot 1774 – 1862 , Victor Savart 1803 - 1862) menyatakan bahwa gaya magnet akan dibangkitkan pada saat arus mengalir  pada penghantar yang berada pada medan magnet. Sebagai ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 6:

Gambar 7. Hukum Ampere-Biot-Savart tentang gaya induksi electromagnetic yang diaplikasikan pada generator 

➢  Hukum Lenz (Heinrich Lenz 1804 – 1865) menyatakan bahwa arus induksi electromagnetic dan gaya akan selalu melawan penyebab awalnya. Sebagai contoh jika sebuah penghantar bergerak memotong garis gaya magnet, maka akan terjadi tegangan induksi pada penghantar tersebut (sesuai hukum Faraday). Jika penghantar tersebut dihubungkan ke beban sehingga menjadi rangkaian tertutup maka akan mengalir arus listrik (sesuai hukum Ampere-Biot-Savart) dan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut. Hukum Lenz menyatakan gaya yang ditimbulkan oleh penghantar tersebut akan melawan gaya dari penyebab timbulnya tegangan induksi tersebut. Prinsip ini menjadi pengetahuan mengapa saat generator berbeban maka pada stator akan mengalir arus yang memotong medan magnet rotor pada gap antara rotor dan stator. Gaya yang besar diperlukan untuk menggerakan turbine agar dapat melawan gaya induksi yang besar dari stator terhadap rotor generator serta mempertahankan beban atau putaran. Sedangkan pada pengoperasian motor listrik dapat diartikan apabila arus yang diberikan akan meningkatkan beban dari motor.

Gambar 8. Ilustrasi Hukum Lenz dimana medan magnet awal akan dilawan oleh medan magnet yang terjadi oleh arus listrik yang mengalir pada penghantar. 

1.1.5  Belitan Rotor

Belitan rotor generator terdiri dari rangkaian serial dari satu pole terhadap pole berikutnya. Arus yang mengalir pada rotor generator bersumber dari exciter yang terdiri dari beberapa jenis excitasi di antaranya menggunakan brush (sikat arang) dan brushless (menggunakan rotating diode sebagai penyearah). Baik penggunaan brush ataupun brushless, pengaturan arus excitasi dilakukan oleh peralatan autovoltage regulator (AVR). Arus excitasi berfungsi sebagai penghasil medan magnet bagi stator generator. 

1.1.6  Belitan Stator

Belitan stator terpasang pada slot core dan dihubungkan seri atau parallel untuk mendapatkan tegangan ataupun MVA sebagaimana design yang diinginkan. Belitan stator mempunyai isolasi khusus yang mampu menahan tegangan tinggi sesuai tegangan output dan mampu menahan panas saat generator beroperasi. Ketahanan panas dari isolasi ditentukan dengan class insulation yang digunakan. Panas dari stator dan rotor akan didinginkan dengan system pendingin yang di design khusus bagi setiap generator .

Besar tegangan induksi pada stator generator ditentukan oleh beberapa komponen diantaranya adalah : 

•       Besar medan magnet yang dihasilkan oleh rotor generator.

•       Kecepatan putar dari rotor generator.

•       Jumlah atau panjang belitan stator generator.

1.2.  Prinsip Operasi Generator

Sebagaimana telah dibahas pada prinsip kerja generator maka semua turbo generator mempunyai rotor dengan dua buah kutub ataupun empat kutub dalam menghasilkan medan magnet. Arus excitasi pada rotor generator mempergunakan arus searah yang mempuyai besar flux tetap namun mempunyai sudut (garis) flux berubah-ubah terhadap stator bar akibat rotor generator berputar mengikuti putaran prime mover (turbine uap ataupun turbine gas).

Putaran rotor generator dipertahankan untuk menghasilkan frequency ataupun tegangan yang konstan.

Gambar 9. Ilustrasi operasi dari turbo generator yang memiliki dua kutub  

Saat generator beroperasi dan excitasi telah active maka pada stator coil akan terjadi tegangan output 3 phase seperti terlihat pada grafik tersebut (Gambar: 8). Berdasarkan konstruksi stator generator maka stator bar dipasang sedemikian rupa sehingga perbedaan sudut di antara phase sejauh 120⁰ , hal ini terlihat dari bentuk gelombang yang dihasilkan terjadi perbedaan sejauh 120⁰  pada setiap phase.

Saat generator beroperasi dan terhubung ke beban maka akan mengalir arus pada stator dimana pada saat itu juga timbul magnetic field disekeliling penghantar stator. Magnetic field yang constant terjadi pada air gap antara stator dan rotor generator. Magnetic field memungkinkan turbo generator menghasilkan daya (megawatt) pada mesin listrik dari daya mekanikal menjadi daya litrik ataupun sebaliknya. Sebagai catatan “magnitude flux yang constant akan menghasilkan magnitude torque yang constant pula.

Pada saat generator beroperasi, putaran rotor akan menentukan frequency dari tegangan input sedangankan jumlah pole adalah tetap dengan mengacu pada persamaan :

Ns 120 pf   

                Dimana :                f à frequency : Hz

                                P à jumlah pole pada rotor generator                            Ns àkecepatan rotor generator (rpm)

Berdasarkan sudut power factor maka operasi generator dibagi menjadi dua (Gambar 9) yaitu:

➢  Underexcited: power factor kondisi leading (Arus mendahului Tegangan), generator akan menerima daya reactive dari system. Underexcited tidak dianjurkan dalam pengoperasian.

➢  Overexcited: power factor kondisi lagging (Tegangan mendahui Arus), generator akan mengirimkan daya ke system. Generator beroperasi normal umumnya menghasilkan VAR bersamaan dengan Watt, kondisi seperti ini generator beroperasi dengan kondisi overexcited.

Gambar 10. Ilustrasi operasi dari turbo generator, overexcited dan underexcited

1.3.  Peralatan Utama Pada Generator Dan Fungsinya

1.3.1  Stator

Stator merupakan bagian dari Generator yang tidak bergerak, terdiri dari gulungan kawat penghantar yang disusun sedemikian rupa dan ditempatkan pada alur-alur inti besi. Pada penghantar tersebut adalah tempat terbentuknya GGL induksi yang diakibatkan dari medan magnet putar dari rotor yang memotong kumparan penghantar stator. Besarnya tegangan listrik yang dihasilkan oleh Generator pada sebuah pembangkit listrik biasanya dalam ribuan volt. 

Adapun bagian-bagian Stator dari sebuah Generator meliputi :

        •     Stator Frame

Merupakan bagian terluar dari sebuah Generator yang biasa kita lihat dan bahkan dipegang dengan tangan terbuka pada saat Generator tersebut beroperasi. Stator frame didesain explosion safe yaitu frame dapat bertahan jika terjadi ledakan internal karena percampuran hidrogen dengan udara, sehingga ledakan tidak akan melukai manusia, merusak peralatan maupun bangunan. Kecelakaan ini hanya mungkin terjadi saat kesalahan operasi penggantian gas dalam generator. Dalam kondisi beroperasi, udara tidak dapat masuk ke dalam generator karena tekanan hidrogen di dalam generator lebih tinggi dari tekanan atmosfir. 

Gambar 11. Stator frame generator

Oleh karena itu, operasi generator dikatakan aman sepanjang purity dari hidrogen selalu dijaga. Didalam Stator Frame inilah seluruh komponen Stator ditempatkan dengan menggunakan dudukan (Mounting) yang terdistribusi dibeberapa tempat.

Gambar 12. Ilustrasi Gambar belahan generator 

        •     Stator Core

Stator core merupakan tempat dimana belitan stator (Stator Winding) ditempatkan. Terbuat dari pelatpelat baja yang disusun secara berlapis-lapis dengan ketebalan ±0.35 mm s/d 0.5 mm. Kedua sisi pelat tersebut diisolasi dengan varnish tahan panas dan disatukan dengan building bolt dan through bolt. Tujuan dari penyusunan pelat baja secara belapis-lapis adalah untuk mengurangi rugi - rugi histerisis akibat panas dan arus eddy. Pada sekeliling inti stator bagian dalam dilengkapi dengan alur sebagai tempat kedudukan penghantar/ belitan stator. 

Pada sebuah Turbo Generator, susunan plat berlapis tersebut bisa mencapai jumlah puluhan ribu buah yang harus disatukan dengan kuat. Pada sebagian generator terdapat stator core teeth yaitu core bagian tepi setiap sisi generator dimana stator bar keluar menuju setiap overhang. 

Gambar 13. Ilustrasi Gambar belahan stator core

Pada core teeth diperlukan pressing plate yang kuat untuk menekan core agar menjadi rapat. Bagian dari penekan tersebut istilah “clamping fingers” karena bentuknya yang menyerupai jari-jari menyesuaikan core stator. Pada bagian terluar terdapat clamping plate (Gambar 13) yang akan dikencangkan dengan through bolt 

Gambar 14. Gambar pressing plate

Gambar 15. Ilustrasi gambar belahan pemasangan clamping plate

        •     Stator Winding

Stator winding dibuat menggunakan penghantar bahan tembaga (copper conductor) yang mempunyai isolasi khusus dan didistribusikan secara merata pada stator core. Pada setiap slot terdapat dua stator bar (upper dan bottom coil). 

Stator winding terbagi menjadi tiga phase dan umumnya mempunyai hubungan Wye dimana pada hubungan Wye terdapat netral yang di grounding sebagai proteksi dari stator winding. Untuk mendapatkan tegangan atau pun besarnya arus yang dihasilkan oleh stator generator maka stator winding dapat dihubungkan secara serial ataupun paralel. Pada generator tiga phase, maka setiap phase akan berbeda sejauh 120 derajat posisi antara setiap  phase pada stator core, oleh sebab itu kita dapat melihat fisik output generator secara langsung apabila sedang dilakukan overhaul generator 

Gambar 16. Ilustrasi gambar penampang & Stator winding 

   

Gambar 17. Ilustrasi Hubungan seri dan parallel pada stator winding

Untuk mengurangi efek eddy current yang besar maka setiap stator bar dibuat menjadi sejumlah penghantar atau copper strand. Namun copper strand biasanya akan kembali terhubung pada ujung stator bar dan hal ini akan menyebabkan penambahan arus sirkulasi (circulating current) mengalir dari top ke bottom copper strand pada stator bar yang tunggal. 

Roebel transposed berfungsi sebagai cara mengurangi efek circulating current. Ada metode 360 derajat dan 540 derajat, roebel transposisi yang dapat diaplikasikan pada generator yang besar. Metode 360 derajat memiliki arti bahwa setiap copper strand menempati posisi sekali pada posisi lain sepanjang panjang stator bar, sedangkan metode 540 derajat memiliki arti bahwa setiap copper strand menempati posisi sekali pada posisi lain dan berpindah kembali.  Untuk metode 360 derajat biasanya ditranspose pada slot saja, namun metode 540 derajat biasanya akan selesai pada ujung stator bar.

Gambar 18. Roebel transposition

Saat beroperasi stator winding akan menimbulkan panas akibat terjadi nya arus (disipasi), panas yang terjadi akan dapat menyebabkan penurunan atau bahkan kerusakan bahan isolasi. Ada beberapa metode pendinginan stator winding (Gambar 18) yaitu :

o    Indirect cooling : pendinginan stator hanya melalui isolasi dari stator winding.

o    Direct cooling gas-cooled bar : pada stator bar terdapat lubang yang dapat dilalui media pendingin dalam hal ini gas hydrogen. o Direct cooling water-cooled bar: stator bar akan dialiri oleh air pendingin yang mempunyai conductivity dan chemical spesifiksi tertentu.

Gambar 19. Potongan stator bar (indirect & direct cooling)

•       Stator Wedge

Ada beberapa perbedaan bentuk wedge stator generator bergantung pada manufacturer, namun fungsi nya akan tetap sama yaitu sebagai penunci stator bar pada slot.  Thermal expansion dan penyusutan dari isolasi akan menyebabkan kelonggaran dari stator bar, hal ini dapat dipicu oleh stator wedge yang tidak terpasang dengan sempurna.  

Single wedge

                                  

Gambar 20. Gambar bermacam bentuk wedge dan pemasangannya

•       End Winding Support System

End winding support pada generator berfungsi sebagai penguat end winding dalam rangka menerima gaya-gaya yang akan diterima saat generator beroperasi normal dan abnormal. End winding support terbuat dari bahan non conducting material dalam bentuk block, tali pengikat dan juga berbentuk lingkaran. End winding support harus rigid dan mempuyai stiffness yang baik sehingga dapat mengakomodasi axial thermal expansi  dan radial direction dari pemuaian slot bar dari winding stator generator.

Gambar 21. Gambar end winding support (indirect cooled)

•       Stator Terminal

Semua generator akan mengalirkan daya dari stator ke transformer melalui  stator terminal. Umumnya generator terdiri dari tiga phase, oleh sebab itu pada generator akan mempunyai tiga buah stator connection.  Stator terminal di design khusus agar mampu menahan tegangan output generator dan mampu menyalurkan besaran arus saat operasi berbeban.

Saat berbeban maka stator terminal juga memerlukan cooling system  seperti indirect cooling dan direct cooling.

Pada generator yang menggunakan hydrogen cooling, maka pemasangan terminal bushing harus sangat perhatikan agar tidak terjadi kebocoran hydrogen melalui flange dari bushing. 

Gambar 22. Gambar Stator terminal

1.3.2  Rotor

Rotor merupakan bagian dari generator yang berfungsi untuk menempatkan kumparan medan magnit eksitasi. Terdiri dari kumparan medan magnit yang disusun pada alur-alur inti besi rotor, sehingga apabila pada kumparan tersebut dialirkan arus searah (DC) maka akan membentuk kutub-kutub magnit Utara dan Selatan.

Gambar 23. Gambar rotor generator 

Ada beberapa jenis konstruksi rotor yang biasa digunakan Generator pada pembangkit listrik, antara lain:

➢  Salient Pole Rotor 

Rotor generator yang memiliki kumparan dengan jumlah kutub lebih dari 2 pasang. Rotor type salient pole memiliki jumlah kutub yang disesuaikan dengan putaran generator sehingga frequency 50 Hz dapat terpenuhi. 

Gambar 24. Gambar silent pole rotor generator

Karena jumlah kutub yang banyak, maka dari sisi berat dan diameter akan lebih besar jika dibandingan dengan cylindrical rotor pada kapasitas megawatt yang sama.

➢  Cylindrical Rotor (Gambar 2.25)

Rotor yang memiliki kumparan dengan jumlah kutub 1 pasang. Rotor cylindrical beroperasi pada putaran 3000 rpm atau pun 1500 rpm. Karena putaran operasi yang begitu tinggi maka belitan rotor terpasang pada slot rotor dan dipasang wedge untuk menjaga agar tidak terlepas akibat gaya centrifugal. Pada kedua ujung end winding terpasang retaining ring yang menjaga end winding dari gaya centrifugal. 

Gambar 25. Gambar Cylindrical rotor generator

Bagian-bagian dari sebuah rotor generator adalah :

a. Rotor Forging

Merupakan bagian mekanis dari rotor yang terbuat dari material khusus (permeable magnetic steel) yang dapat berfungsi sebagai jalur flux yang dihasilkan oleh rotor winding. Rotor generator merupakan dynamic komponen, beroperasi pada putaran tinggi maka material harus dapat menahan tekanan dan dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat berfungsi untuk menempatkan rotor winding.

Rotor forging harus dapat beroperasi pada beban mekanik dan thermal yang tinggi. 

Gambar 26. Gambar forging rotor generator

Bagian dari rotor forging yang akan mengalami tekanan yang besar di antaranya adalah slot tooth root, shrink-fit area dan bagian terluar dari rotor forging. Tekanan yang dialami oleh rotor forging terjadi pada saat:

➢  Low cycle saat start up dan shutdown.

➢  Torsional stress saat operasi dan terjadinya gangguan.

➢  High cycle fatigue yang disebabkan operasi ➢ Berat rotor yang menyebabkan bending.

Safety factor design pada forging rotor generator umumnya sebesar 150% pada saat 20% dari over speed nya. Safety factor ini dibuat untuk menjamin tidak terjadi crack pada forging rotor saat beroperasi maupun bila terjadi gangguan.

Forging rotor generator merupakan bagian utama dimana akan dibuat beberapa bagian untuk dapat berfungsi sebagai rotor generator. Pada forging akan terdapat winding slot, pole-face crosscuts, axial slot dan journal shaft, coupling, hydrogen sealing surface, main lead slot pada shaft dan collector ring (exciter). Sementara itu akan terdapat komponen yang dipasangkan pada forging rotor yaitu : winding rotor dan isolasinya, winding slot wedge, retaining ring, centering ring, end winding blocking, rotor fan blade, main lead dan terminal stud, collector ring termasuk fan blade.

b. Rotor Winding

Rotor winding dipasang pada slot rotor generator dengan distribusi merata pada rotor body untuk kedua pole. Winding rotor terbuat dari sejumlah belitan bahan tembaga (copper) yang dihubungkan secara serial.

Seluruh design rotor winding yang dibuat oleh banyak fabricant akan mempunyai fungsi dasar yang sama yaitu untuk menghasilkan flux bagi stator generator. Hal yang harus diperhatikan adalah bagaimana metode pendinginan dari winding rotor saat beroperasi.  Untuk turbo generator umumnya menggunakan direct cooled dengan menggunakan udara ataupun gas hydrogen. Udara pendingin atau gas hydrogen dilewatkan pada rotor winding untuk mengurangi temperature pada rotor winding termasuk ground insulation sehingga life time isolasi terjaga

Gambar 27. Gambar rotor winding generator

Ada beberapa metode pendinginan rotor winding yaitu :

➢  Radial cooled rotor winding with subslots

➢  Radial cooled rotor winding with air gap pickup

➢  Axial cooled rotor winding

➢  Combination radial & axial cooled rotor winding

Untuk jelasnya dapat dilihat pada beberapa gambar di bawah ini. 

Gambar 28. Gambar metode pendinginan rotor winding, Radial cooled rotor winding with subslots dan with air gap pick up

Gambar 29. Gambar metode pendinginan rotor winding, Axial dan Combination Radial axial  cooled rotor winding 

                           c.    Rotor Winding Slot Wedge

Wedge mempunyai fungsi menahan rotor winding dan isolasi tetap berada pada slot forging selama beroperasi dan sekaligus menjadi laluan udara pendingin atau juga gas hydrogen sehingga pendinginan rotor generator berlangsung baik selama beroperasi.

Wedge umumnya terbuat dari material metal yang ringan seperti aluminum ataupun kuningan (brass). Area wedge bukanlah area yang digunakan sebagai magnetic flux, oleh sebab itu material wedge yang digunakan tidak terbuat dari magnetic material. 

Pemasangan wedge pada slot winding tidak terlalu kencang hal ini dimaksudkan untuk memberi ruang bagi pemuaian rotor winding ke arah radial. Apabila terjadi kelonggaran yang berlebih menyebabkan rotor winding dapat bergerak setiap saat sehingga dapat menyebabkan gesekan pada isolasi slot liner. Kerusakan isolasi slot liner akan menyebabkan terjadinya rotor ground fault.

Gambar 30. Gambar Rotor Winding Slot Wedge 

d. Rotor Damper Winding

Sebagian besar rotor generator memiliki damper atau biasa disebut amortisseurs atau damping winding yang berfungsi meredam flukstuasi torsi dan menjadi rangkaian untuk mengalirkan arus induksi.  Damper winding secara konstruksi terpisah dari rotor winding yang dipasang dibawah rotor wedge dan retaining ring yang terhubung sedemikian rupa seperti pada motor induksi type rotor sangkar (squirrel-cage)

Damper winding menghasilkan torsi yang berlawanan manakala ada arus mengalir padanya dan membantu meredam fluktuasi torsi dan menambah kestabilan dari rotor selama beroperasi. Pada rotor generator yang mempunyai konstruksi wedge yang panjang dan berbahan material aluminum, maka wedge tersebut juga berfungsi sebagai damper winding. Design retaining ring yang menggunakan shorting connection damper finger pada ujung rotor maka bagian tersebut juga berfungsi sebagai component damper winding.

Damper winding juga dapat mencegah terjadinya negative-sequence dan motoring current yang mengalir pada rotor forging yang dapat menyebabkan kerusakan akibat overheating.

Gambar 31. Rotor  Damper Winding  

e.       Retaining Ring 

Retaining ring merupakan bagian dari rotor generator yang mengalami tekanan paling besar saat rotor generator beroperasi. Retaining ring berfungsi menahan end winding rotor generator dari gaya centrifugal selama beroperasi. Retaining ring terdapat pada kedua ujung rotor generator yang terpasang secara suaian paksa (shrunk fit).

Material retaining ring terbuat dari bahan nonmagnetic yang memiliki kekuatan sama seperti magnetic material. Material yang umum digunakan adalah 18% Mn – 18% Cr atau biasa disebut 18Mn-18Cr atau 18-18. Material tersebut mempunyai nilai tambah yaitu anti stress corrosion cracking (SCC)

Gambar 32. Retaining ring

f.         Axial & Radial Connector 

Arus excitasi yang mengalir ke rotor winding melalui dua buah penghantar dari radial pada end winding yang berada dibawah retaining ring, melalui center bore dari journal shaft dan keluar melalui radial connector sedemikian rupa sampai dengan slip ring atau collector ring (exciter).

Gambar 33. Gambar axial dan radial connector rotor generator 

Hal yang penting perlu diperhatikan pada radial connector adalah sealing, yang terbuat dari bahan rubber dengan pengaturan atau susunan tertentu. Pada generator (Gambar 32) berpendingin gas hydrogen, sealing pada radial connector pada area sisi inside generator (sisi gas hydrogen) dan area sisi luar (sisi udara) akan mempunyai seal. Setiap inspection perlu dilakukan leak test untuk menyakinkan seal yang terpasang mampu mencegah keluarnya gas hydrogen.

Gambar 34. Gambar radial connector rotor generator berpendingin gas hydrogen

Gambar 35. Gambar radial connector rotor generator berpendingin gas hydrogen pada sisi collector ring

Gambar 36. Gambar Axil bar (conductor bar) rotor generator 

g. Slip Ring / Collector Ring

Arus excitasi yang mengalir ke rotor winding untuk menghasilkan magnetic field. Arus excitasi dapat disalurkan dengan menggunakan slip ring atau collector ring. Pada system yang lain excitasii menggunakan system brushless excitasion (tanpa sikat arang, menggunakan rotating diode).

            

Gambar 37. Slip Ring atau Collector Ring 

Slip ring dipasang pada shaft rotor generator dengan system muaian paksa (shrink fit) dimana antara slip ring dan shaft rotor terdapat isolasi yang umumnya terbuat dari epoxy glass ataupun mica based. Saat beroperasi brush akan selalu bergesekan dengan slip ring sehingga menimbulkan panas, oleh sebab itu pada system slip ring terdapat fan untuk membantu pendinginan. Slip ring juga dibentuk mempunyai helicals grooves (jalur melingkar yang miring) yang menyebakan udara mengalir pada permukaan slip ring. Hal yang perlu diperhatikan adalah dalam pemasangan brush adalah:

➢  Kualitas brush à hardness menentukan tingkat ke ausan dari brush ataupun kerusakan pada slip ring

➢  Spring tension à menentukan contact dari brush selama beroperasi, termasuk tingkat ke ausan atau kerusakan slip ring.

Gambar 38. Brush Exciter

h. Rotor Fan 

Pada saat generator beroprasi akan terjadi looses berupa panas yang terjadi pada rotor dan stator generator. Untuk mengurangi panas yang terjadi maka setiap generator mempunyai masing-masing system pendinginannya untuk mendapatkan temperature yang sesuai sehingga dapat beroperasi dengan normal. 

Berdasarkan media pendingin pada generator umumnya menggunakan udara ataupun gas hydrogen. Rotor fan blade (Gambar 2.38) berfungsi sebagai alat untuk mensirkulasikan media pendingin tersebut ke seluruh bagian generator.

Berdasarkan sirkulasi media pendinginan maka system pendinginan generator terbagi dua yaitu closed cycle dan open cycle. Pada system open cycle media pendingin menggunakan udara luar kemudian disirkulasikan ke dalam generator dan selanjutnya keluar. Pada system closed cycle media pendingin menggunakan udara dan gas hydrogen. Udara ataupun gas hydrogen akan selalu berada dalam generator, panas yang diambil oleh udara atau gas hydrogen akan didinginkan oleh radiator cooler yang terdapat dalam generator. 

System closed cycle dan open cycle dapat berlangsung saat rotor generator beroperasi dimana pada rotor dipasangkan “rotor fan”. Masing-masing fabricant mendesign jumlah dan dimensi rotor fan untuk mendapatkan flow media udara atau gas yang dibutuhkan untuk pendinginan generator tersebut.

Hal yang penting untuk diperhatikan adalah clearance dari fan blade terhadap air guide dimana hal ini dapat mngurangi flow udara, terjadinya gesekan sampai dengan vibrasi .

Gambar 39. Pengukuran clearance rotor fan blade terhadap air guide

1.3.3  Bearing

Bearing berfungsi sebagai tumpuan dari rotor generator pada saat beroperasi dengan kriteria rotor generator bebas berputar, gesekan minimal dan yang utama adalah tidak terjadi vibrasi.

Ada dua type bearing yang umum digunakan pada turbo generator yaitu journal dan tilting pad. Kedua type bearing tersebut tetap memerlukan pelumasan dan jika diperlukan jacking oil.

Pemasangan bearing harus dilakukan secara benar untuk mencegah terjadinya vibrasi, kerusakan bearing ataupun kerusakan journal shaft apabila beroperasi. 

Clearance bearing yang sesuai standard manual book harus dipenuhi untuk mendapatkan rotor generator berputar pada bearing tanpa timbul masalalah seperti panas atau vibrasi. Under clearance menyebabkan pelumas akan berkurang saat beroperasi sehingga menimbulkan panas. Over clearance menyebabkan rotor generator berpotensi vibrasi karena dapat bergerak bebas dari sumbu putarnya.

Gambar 40. Tilting Pad Bearing dan Journal Bearing

a.          Bearing Bracket

Bearing bracket berfungsi sebagai rumah dari bearing beserta accessoriesnya termasuk hydrogen seal. Bracket merupakan bagian penting pada pemasangan generator, posisi bracket yang sesuai akan menjamin centering rotor generator terhadap stator generator 

Konstruksi bearing bracket disesuaikan dengan media pendingin generator. Untuk generator berpendingin udara, maka bracket di design hanya untuk dapat menumpu berat dari rotor generator, sedangkan pada generator yang berpendingin gas hydrogen, bracket di design juga harus mampu menahan tekanan dari gas hydrogen yang akan diisikan dengan tekanan tertentu pada generator. Oleh karena itu pemasangan bracket generator berpendingin hydrogen memerlukan sealing tertentu untuk mencegah kebocoran hydrogen melalui bracket yang akan dipasang. 

Gambar 41. Bracket generator berpendingin udara

     Gambar 42. Bracket generator berpendingin gas hydrogen

b.          Labyrinth

Labyrinth berfungsi sebagai perapat atau sealing dari pelumas yang mengalir pada bearing ataupun hydrogen seal yang terdapat pada bracket. Labyrinth terdapat pada setiap bracket pada posisi inboard dan outboard.

Labyrinth terbuat dari material yang mempunyai hardness lebih rendah dari journal shaft. 

Labyrinth akan berfungsi sebagai sealing apabila saat pemasangan mempunyai clearance sesuai standard manual book.  Pemasangan labyrinth seal pada generator yang menggunakan jacking oil akan berbeda dengan generator lain. 

Material perekat atau gasket sealent yang dipergunakan harus disesuaikan sehingga fungsi dari perapat akan terpenuhi.

 

Gambar 43. Contoh Labyrinth seal 

1.4.  Peralatan Bantu Generator 

1.4.1. Lube Oil System (system pelumasan)

Lube oil system pada generator ditentukan dari berbagai aspek yaitu:

➢  Type bearing , seperti :  journal bearing & tilting pad 

➢  Speed rotor generator 

➢  Berat rotor generator 

Pada turbo generator baik yang menggunakan journal bearing ataupun tilting pad bearing umumnya akan menggunakan lube oil. Lube oil system pada turbo generator biasa menggunakan system sirkulasi bersamaan dengan lube oil pada turbine. Lube oil system pada saat start awal akan menggunakan pompa pelumas auxiliary (motor ac) dan saat putaran nominal menggunakan pompo utama yang terkopel pada turbine. Pada saat terjadi gangguan atau unit trip maka lube oil akan dipompa dengan menggunakan dc lube oil pump.

1.4.2. System Pendingin Pada Generator 

a. Macam-macam sistem pendingin pada generator :

                                1)    System Pendinginan dengan Hydrogen (Hydrogen Cooled)

Hydrogen dipergunakan sebagai pendingin pada generator dengan berbagai keuntungan yaitu :

o    Heat transfer karaketeristik yang lebih baik (table 1)

o    Hambatan dan losses akibat gesekan lebih kecil jika dibandingkan dengan penggunaan udara sebagai media pendingin.

o    Dapat meredam partial discharge dengan cara menambah hydrogen pressure.

o    Menaikkan dari breakdown voltage dari generator component.

Penggunaan gas hydrogen sebagai pendingin harus dilakukan secara hati-hati karena terdapat bahaya yang sangat besar. Gas hydrogen akan bereaksi dengan gas oxygen yang menyebabkan ledakan akibat pelepasan energy. Untuk mengoperasikan hydrogen cooling system diperlukan beberapa component sealing system yang meliputi hydrogen seal yang terdapat pada:

o    shaft rotor generator o           terminal stud pada radial bolt o     pipe flanges o     instrumentasi port o          venting valve  o   dan lain-lain.

Salah satu syarat pengoperasian generator berpendingin gas hydrogen adalah purity gas hydrogen dalam generator. Purity yang diwajibkan adalah > 95%, nilai tersebut dapat dipertahankan selama beroperasi dengan adanya hydrogen pressure regulator dan hydrogen seal oil system. 

Penambahan gas hydrogen terjadi akibat adanya kebocoran yang terjadi pada bagian seperti: o Seal oil à tekanan gas hydrogen lebih besar sehingga melebihi tekanan seal oil dan akibatnya gas hydrogen terbawa oleh aliran seal oil system.

o    Kebocoran kecil pada hydrogen coolerà tekanan cooler lebih rendah dari tekanan gas hydrogen sehingga jika terjadi bocor pada cooler, maka gas hydrogen akan masuk ke cooler.

o    Rotor terminal stud sealà seal pada radial terminal stud mengalami kerusakan (aus) sehingga hydrogen keluar. Saat inspection biasanya dilakukan pengujian bore leak test.

o    Casing atau bracketàpemasangan bracket yang tidak sesuai akan menyebabkan kebocoran gas hydrogen. Material gasket sealing compound atau pun O-ring cord yang tidak sesuai spesifikasi dapat menyebabkan kebocoran. Pengencangan bolt pada bracket dan hydrogen seal oil system perlu diperhatikan.

Berikut table 1 yaitu perbandingan dari beberapa media pendingin, terlihat bahwa gas hydrogen dengan specific density yang kecil mempunyai specific heat yang besar .

Tabel 1: Relative Cooling Properties of the Various Cooling Mediums Used in Turbogenerators

                                2)    System Pendinginan dengan Udara (Air Cooled)

Media pendingin generator yang umum digunakan adalah udara. Pada system pendingin dengan udara ada istilah “closed cycle” dan “open cycle”. Pada closed cycle maka udara disirkulasikan ke dalam generator stator dan rotor dengan menggunakan rotor fan blade. Udara pendingin yang telah melalui stator dan rotor (lebih panas dari udara inlet) akan didinginkan kembali dengan cooler yang terdapat pada generator dan selanjutnya disirkulasikan kembali ke stator dan rotor generator. 

Pada generator dengan pendinginan open cycle, udara pendinginan akan diambil dari udara sekitar generator melalui filter udara. Udara tersebut kemudian disirkulasikan ke stator dan rotor yang selanjutnya dibuang ke luar generator. Permasalahan yang sering dihadapi generator dengan open cycle adalah contaminasi pada stator dan rotor akibat udara luar yang kotor. Filter udara yang tidak bekerja baik menyebabkan contaminant mencemari stator dan rotor. Contaminant tersebut tentunya menyebabkan kualitas tahanan isolasi stator dan rotor menjadi tidak baik.

Generator berpendingin udara biasanya mempunyai kapasitas dari yang kecil (< 1 MW) sampai dengan 100 MW. Generator berpendingin udara mempunyai bracket yang lebih sederhana karena tidak adanya seal oil system. Generator berpendingin udara biasa digunakan pada hydro generator, engine, gas turbine dan steam turbine dengan kapasitas dibawah 100 MW.

b. Arah Aliran pendingin (Cooling Flow Directional)

Arah aliran pendingin atau cooling flow directional merupakan gambaran bagaimana arah aliran pendingin di dalam generator pada saat proses pendinginan berlangsung. Masing-masing generator akan mempunyai design tertentu disesuaikan dengan media pendingin dan kapasitas generator. Pada saat maintenance generator maka pemasangan kembali seluruh peralatan harus sesuai dengan marking saat pembongkaran termasuk pemasangan rotor fan blade. Pemasangan rotor fan blade akan mempengaruhi arah aliran media pendingin generator. 

Hal lain yang menjadi focus cooling flow directional adalah bagaimana dari sisi operasi memeriksa nilai parameter yang terbaca pada generator khususnya temperature udara inlet dan outlet sesuai arah aliran. Kita dapat melakukan cross check pada peralatan tersebut dan mengetahui kondisi generator dari temperature arah aliran tersebut. Jika terjadi ketidaksesuaian maka pasti terjadi kesalahan pada saat pemasangan rotor fan blade.

Berikut beberapa contoh gambar aliran pendingin pada generator:

1)       Arah aliran diagonal.

Arah aliran pendingin pada generator ditentukan oleh kontruksi pada frame generator dan oleh bentuk cooling hole yang terdapat ada rotor body. Pada arah aliran diagonal cooling (Gambar 42) maka pada rotor generator terdapat lubang sebagai pengambil udara masuk (dingin) dan secara diagonal keluar pada lubang lain dengan temperature lebih panas setelah mengambil panas pada rotor winding. 

Gambar 44. Aliran pendingin diagonal 

Gambar 45. Aliran pendingin diagonal pada rotor generator

Sebagai gambaran generator dengan aliran diagonal flow terlihat dari cooling hole pada rotor body sebagai berikut:

Gambar 46. Aliran pendingin diagonal pada rotor generator & winding slot

2)       Arah aliran Radial

Arah aliran pendingin pada generator yang umum digunakan adalah aliran arah radial. Udara atau gas hydrogen akan disirkulasikan oleh dua buah rotor fan blade kemudian akan masuk ke dalam generator melalui rotor generator dan stator generator. Udara atau gas hydrogen yang panas akan dilewatkan pada cooler untuk didinginkan kembali. 

Udara yang telah dingin akan disirkulasikan kembali ke dalam generator dan akan berlangsung selama generator beroperasi. Untuk dapat memahami contoh aliran arah radial dapat dilihat pada Gambar berikut. 

Gambar 47. Aliran pendingin radial pada rotor generator & winding slot

Arah aliran pendingin pada generator arah radial dapat dilihat pada Gambar 46 . Udara atau gas hydrogen masuk melalu sub slot dari sisi exciter dan sisi turbine, kemudian keluar dari lubang pendingin di sepanjang rotor body.

Gambar 48. Aliran pendingin radial pada rotor generator 

c.        Pendingin (Cooler)

Sebagaimana telah disebutkan pada bagian sebelumnya, pada type closed cycle, udara atau gas hydrogen akan didinginkan oleh cooler yang terdapat pada generator tersebut. Untuk bentuk dan cara pemasangan disesuaikan oleh design dari masing-masing fabricant.

Pemasangan cooler pada posisi vertical ataupun pada posisi horizontal. Cooler yang terpasang pada generator berisi air yang disirkulasikan pada sirip-sirip pendingin. Air yang telah melalui cooler akan didinginkan oleh heat exchanger pada system lain diluar generator.

Gambar 49. Contoh Hydrogen cooler generator 

d.       Seal Oil System

Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa hampir seluruh generator yang mempunyai kapasitas besar menggunakan gas hydrogen bertekanan untuk pendinginan pada internal componentnya. Fungsi utama dari seal oil system adalah menjaga tekanan hydrogen dan mencegah kebocoran gas hydrogen pada journal shaft. Seal oil terdapat pada sisi exciter dan sisi turbine dimana akan dibutuhkan high pressure oil yang digunakan sebagai seal pada kedua sisi tersebut yang dialirkan secara terus menerus sehingga fungsi utama dari seal oil tersebut tercapai. Peralatan yang terdiri dari seal oil, piping, seal oil pomp dan instumentasi disebut sebagai hydrogen seal oil system.

Type dari seal oil ada dua yaitu : single flow  dan double flow. Masing-masing type tersebut memiliki peralatan antara lain: 

➢  Air Side Seal Oil Pump (AC) ➢ H2 Side Seal Oil Pump (AC)

➢  DC Air Side Seal Oil Pump

➢  DC H2 Side Seal Oil Pump

Gambar 50. Contoh Hydrogen Sealing Oil System 

Gambar 51. Contoh  Hydrogen Sealing Oil pada journal shaft

Gambar 52. Seal Oil Backup System (1)

Gambar 53. Seal Oil Backup System (2)

e. Exciter System

Exciter system berfungsi menyuplai arus bagi rotor winding sehingga akan dibangkitkan tegangan pada terminal generator. System di design untuk dapat mengontrol tegangan tegangan dengan cara mengatur arus yang disupply ke rotor generator. Selanjutnya exciter system akan mempengaruhi daya reactive dan power pactor (pf).

Arus exciter dalam bentuk dc dengan tegangan maximum sampai 700 volt dan arus exciter sampai dengan 8000 amp.

Ada tiga type basic excitasi system sebagai berikut :

➢  Rotating

➢  Static

➢  Brushless

                 

BAB II SISTEM EKSITASI

2.1 Fungsi dan Jenis Sistem Eksitasi

Untuk membangkitkan medan magnet pada rotor, diperlukan arus DC. Arus DC akan memberikan kutub yang tetap pada medan magnet rotor. Arus DC yang diperlukan oleh rotor dihasilkan oleh sistem eksitasi. Arus DC ini bisa berasal dari battery atau berasal dari transformer eksitasi yang disearahkan oleh thyristor.

        2.1.1    Sistem Eksitasi dengan Sikat

 Pada Sistem Eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listriknya berasal dari generator arus searah (DC) atau transformer eksitasi (AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. 

Di beberapa pembangkit, sumber DC pertama kali didapatkan dari battery selama 4 detik untuk pembangkitan awal medan magnet di rotor. Setelah generator bertegangan, transformer eksitasi akan bertegangan juga (satu line dengan keluaran generator). Arus AC dari transformer eksitasi tersebut akan disearahkan oleh thyristor dalam lemari penyearah. Arus DC yang dihasilkan oleh thyristor tersebut langsung mengambil alih arus DC dari battery yang sudah terputus.

Untuk mengalirkan arus DC (arus eksitasi) dari lemari penyearah ke rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang (carbon brush)

Gambar 54. Sistem Eksitasi dengan Sikat

Gambar 55. Slip Ring pada Rotor Generator

Gambar 56. Holder dan Carbon Brush (Sikat Arang)

Prinsip kerja pada sistem Eksitasi dengan sikat (Brush Excitation)

Gambar 57. Diagram Blok Sistem Eksitasi di PLTGU Grati

Pada saat kecepatan generator sudah mencapai > 95% sistem eksitasi akan otomatis ON. Sumber DC pertama kali yang digunakan untuk penguatan medan pada rotor generator berasal dari battery. Penguatan ini berlangsung selama 4 detik dan selanjutnya diambil alih oleh arus DC dari transformer eksitasi. 

Arus DC tersebut dialirkan ke dalam rotor melalui media-media seperti gambar diatas yaitu slip ring, sikat arang (carbon brush), holder dan brush carrier (mounting untuk brush holder). Untuk generator PLTG 120 MVA menggunakan 9 carbon brush untuk tiap kutubnya dan untuk generator PLTU 250 MVA menggunakan 18 carbon brush untuk tiap kutubnya. 

Kelemahan dan kelebihan menggunakan sikat arang pada sistem eksitasi adalah sebagai berikut: a. Kelemahan o   Perlu perawatan dan pemeliharaan pada sikat arang (routine cleaning dan penggantian sikat arang).  o       Dapat menimbulkan sparking (percikan api).

o           Arus yang dapat dialirkan oleh sikat relatif kecil. Semakin besar kapasitas generator semakin banyak sikat arang yang digunakan. 

o           Terdapat electrical loss yang disebabkan oleh arang.

b. Kelebihan o        Design tidak terlalu rumit karena penguatan dari eksternal. o Mudah dalam melakukan perbaikan apabila terjadi kerusakan pada sistem eksitasi.

        2.1.2    Sistem Eksitasi tanpa Sikat

 Prinsip kerja hampir sama dengan sistem eksitasi dengan sikat arang, yang membedakan adalah pada sistem eksitasi tanpa sikat ini tidak menggunakan slip ring, sikat arang (carbon brush), hoder dan brush carrier. Pada sistem eksitasi model ini arus DC yang dialirkan lebih besar.

Gambar 58. (a) dan (b) Sistem Eksitasi tanpa Sikat Arang (Brushless)

Keterangan gambar:

ME  : Main Exciter

MG  : Main Generator

          PE     : Pilot Exciter

AVR  : Automatic Voltage Regulator

          V       : Tegangan Generator

AC  : Alternating Current (arus bolak balik)

DC  : Direct Current (arus searah)

          DB    : Dioda Bridge

Gambar 59. Bagian-bagian Generator dengan Eksitasi tanpa Sikat

 PMG (Permanent Magnet Generator) berputar seiring dengan berputarnya rotor. PMG sebagai pembangkit tegangan/arus AC yang disearahkan kemudian dimasukkan pada AVR (Automatic Voltage Regulator) untuk dikontrol. Karena tegangan/arus AC pada PMG sangat kecil, arus AC yang sudah disearahkan dimasukkan pada eksiter untuk membangkitkan tegangan AC yang lebih besar. Arus AC keluaran eksiter disearahkan oleh rotating diode. Untuk memberikan arus eksitasi pada rotor, sehingga pada rotor terdapat medan magnet. Sehingga tidak diperlukan sumber tegangan DC ekternal untuk eksitasi pada generator ini.

Gambar 60. Permanent Magnet Generator

Keuntungan dan kelemahan menggunakan sistem eksitasi tanpa sikat adalah sebgai berikut: a.      Kelebihan:

o    Mengurangi biaya pemeliharaan dan perawatan sikat.

o    Keamanan lebih baik dan kelangsungan operasi bisa lebih terjamin karena tidak adanya persoalan dalam penggantian sikat arang.

o    Tidak ada percikan bunga api karena tidak adanya sikat arang.

          b.     Kelemahan:

o        Design lebih rumit karena adanya PMG o     Apabila ada kerusakan pada salah satu komponen (mis: dioda penyearah) perbaikannya akan susah.

2.2 Komponen Sistem Eksitasi

Secara umum, baik sistem eksitasi yang menggunakan sikat arang atau yang tanpa sikat arang mempunyai beberapa komponen yang sama secara fungsi dan kinerjanya. Komponen-komponen tersebut bisa berupa card atau berupa modul.

Komponen-komponen tersebut adalah:

2.2.1 Transformer eksitasi

Peralatan ini berfungsi sebagai sumber arus eksternal. Fungsi utama dari transformer ini adalah menyalurkan sumber AC yang kemudian disearahkan oleh thyristor menjadi sumber DC ke rotor generator baik dengan menggunakan sikat arang maupun tanpa sikat arang.

Gambar 61. Spesifikasi Transformer Eksitasi

        2.2.2    Rectifier (Penyearah)

Rectifier sistem eksitasi di PLTGU Grati menggunakan thyristor sebagai penyearah. Kelebihan dari penggunaan thyristor ini adalah dapat diatur sudut penyalaannya sehingga besar kecil arus yang masuk ke rotor generator dapat diatur. Total thyristor yang digunakan adalah 24 buah. Rangkaian thyristor dapat dilihat pada gambar dibawah.

Gambar 62. Rangkaian Thyristor

Gambar 63. Thyristor dan Rangkaian Pendukungnya

Gambar 64. Karakteristik Thyristor dan Bentuk Gelombang Keluarannya

        2.2.3    De-excitation

De-excitation adalah bagian dari pengaman generator yang di pasang pada sistem eksitasi. Setelah sistem eksitasi terlepas baik karena shut down normal maupun karena gangguan, pada belitan rotor masih terdapat tegangan sisa. Tegangan sisa ini akan dibuang menggunakan resistor de-excitation. Resistor ini mengurangi energi medan pada generator.

Gambar 65. Rangkaian De-Excitation

        2.2.4    Proteksi tegangan lebih

Ketika belitan medan terhubung dengan sistem eksitasi, pengukuran yang spesifik diperlukan untuk mencegah terjadinya tegangan lebih. Tegangan lebih ini terjadi karena “impressed current” dari belitan stator ketika generator mengalami gangguan. Tegangan lebih ini juga bisa disebabkan karena proses switching power supply untuk sistem eksitasi. Peralatan proteksi tegangan lebih ini menggunakan antiparallel thyristor.

Gambar 66. Rangkaian De-Excitation dan Proteksi Tegangan Lebih

•     Tegangan lebih negatif

Apabila tegangan lebih melewati thyristor 2 lebih dari 1250 volt. Thyristor akan terbuka dengan triger dari module Z4. Tegangan lebih tersebut akan berkurang. Apabila tegangan yang melewati 0 maka thyristor tidak akan bekerja.

•     Tegangan lebih positif

Apabila tegangan lebih melewati thyristor 1 lebih dari 1250 volt. Thyristor akan terbuka dengan triger dari module Z4. Tegangan lebih tersebut akan berkurang. Apabila tegangan yang melewati 0 maka thyristor tidak akan bekerja.

             

BAB III AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR (AVR)

3.1. Pengertian AVR

Peralatan ini juga biasa disebut dengan AVR (Automatic Voltage Regulator). Sistem AVR berfungsi untuk menjaga agar tegangan generator tetap konstan dengan kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah. 

Dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator, prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus eksitasi. Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator, maka AVR akan memperbesar arus eksitasi pada belitan rotor. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus eksitasi pada belitan rotor. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output Generator akan dapat distabilkan oleh AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untuk pembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis.

Gambar 67. Diagram AVR

3.2. Bagian-bagian AVR

Bagian-bagian AVR dapat dijelaskan pada penjelasan berikut :

          a.     Sensing circuit

Tegangan tiga phasa generator disensing menggunakan Potensial Transformer dan 90R terlebih dahulu, dan tegangan tiga phasa keluaran dari 90R diturunkan kemudian disearahkan dengan rangkaian dioda, dan diratakan oleh rangkaian kapasitor dan resistor dan tegangan ini dapat diatur dengan VR (Variable Resistant).

Keuntungan dari sensing circuit adalah mempunyai respon yang cepat terhadap tegangan output generator. b. Comparative amplifier

Rangkaian comparative amplifier digunakan sebagai pembanding antara sensing circuit dengan set voltage. Besar sensing voltage dengan set voltage tidak mempunyai nilai yang sama sehingga selisih/rentang besar tegangan tersebut. Selisih tegangan disebut dengan error voltage. Ini akan dihilangkan dengan cara memasang VR (variable resistance) pada set voltage dan sensing voltage.

c.          Amplifier circuit

Aliran arus dari D11, D12, dan R34 adalah rangkaian penguat utama atau penguatan tingkat terendah. Keluaran dari comparative amplifier dan keluaran dari over excitation limiter (OEL) adalah tegangan negative dan dari tegangan negative tersebut menjadi masukan OP201. Ketika over excitation limiter (OEL) atau minimum excitation limiter (MEL) tidak beroperasi maka keluaran dari comparative amplifier dikuatkan oleh OP201 dan OP301. Masukan dari OP301 dijumlahkan dengan keluaran dari dumping circuit. OP401 adalah amplifier untuk balance meter hubungan antara tegangan masuk dan tegangan keluaran dari OP201 dan OP401 diperlihatkan pada gambar berikut.

d.         Automatic manual change over and mixer circuit

Rangkaian ini disusun secara Auto-manual pemindah hubungan dan sebuah rangkaian untuk mengontrol tegangan penguatan medan generator. Auto-manual change over and mixer circuit pada operasi manual pengaturan tegangan penguatan medan generator dilakukan oleh 70E, dan pada saat automatic manual change over and mixer circuit beroperasi manual maka AVR belum dapat beroperasi. Dan apabila rangkaian ini pada kondisi auto maka AVR sudah dapat bekerja untuk mengatur besar arus medan generator. e. Limited circuit

Limited circuit adalah untuk menentukan batasan lebih dan kurang pada penguatan (excitation) dan digunakan untuk pengaturan tegangan output pada sistem eksitasi.

          f.      Phase syncronizing circuit

Unit thyristor digunakan untuk mengontrol tegangan output thyristor dengan menggunakan sinyal kontrol yang diberikan pada gerbang thyristor dengan cara mengubah besarnya sudut sinyal pada gerbang thyristor. Rangkaian phase sinkronisasi berfungsi untuk mengubah sudut gerbang thyristor yang sesuai dengan tegangan output dari batas sinkronisasi dan juga sinyal kontrol yang diberikan pada thyristor. g. Thyristor firing circuit

Rangkaian ini sebagai pelengkap thyristor untuk memberikan sinyal kontrol pada gerbang thyristor. h. Dumping circuit

Dumping circuit akan memberikan sensor besarnya penguatan tegangan dari AC exciter dan untuk diberikan ke amplifier circuit dengan dijadikan feed back masukan terminal OP301. i. Unit tyristor

Merupakan susunan dari fuse, thyristor dan dioda.Fuse (sekring) digunakan sebagai pengaman lebur dan juga dilengkapi dengan indikator untuk memantau kerja dari thyristor yang dipasang pada bagian depan thyristor, untuk tiap phase diberikan dua fuse yang disusun pararel dan ketika terjadi kesalahan atau putus salah satunya masih dapat beroperasi.

j.           MEL (minimum excitacy limiter)

MEL (minimum eksitasi limiter) yaitu untuk mencegah terjadinya output yang berlebihan pada generator dan adanya penambahan penguatan (excitacy) untuk meningkatkan tegangan terminal generator pada level konstan. Rangkaian ini digunakan untuk mendeteksi operasional dari generator yaitu dengan mendeteksi keluaran tegangan dan arus dari generator. Rangkaian ini juga digunakan untuk membandingkan keluaran tegangan generator dengan eksitasi minimum yang telah diset. Rangkaian ini akan memberikan batas sinyal pada rangkaian AVR apabila melebihi eksitasi minimum, kemudian output dari MEL (Minimum Eksitasi Limiter) dikuatkan oleh amplifier.

Gambar 69. Diagram MEL

k.         Automatic follower

Prinsip kerja dari alat ini adalah untuk melengkapi penguatan dengan pengaturan secara manual oleh 70E. Untuk menyesuaikan pengoperasian generator dalam pembandingan fluktuasi dari tegangan terminal oleh sinyal error. 

Pengoperasian ini digunakan untuk pengaturan manual (70E) untuk ketepatan tingkatan eksitasi yang telah disesuaikan. 

Automatic Follower digunakan untuk mendeteksi keluaran regulator dari sinyal tegangan error dan pengoperasian otomatis manual adjuster dengan membuat nilai nol. Rangkaian ini untuk menaikkan sinyal dan menurunkan sinyal yang dikendalikan oleh 70E.

Pengoperasian AVR

a.       Pengoperasian sistem eksitasi secara auto dengan AVR

Tegangan pada terminal keluaran generator diset oleh sebuah motor yang digerakkan dengan tombol. Besaran nilai seting antara 90 – 110% dari tegangan nominal generator.

b.       Pengoperasian sistem eksitasi secara manual

Hanya kontrol arus dan derajat penyalaan thyristor yang dapat dioperasikan pada mode pengoperasian manual ini. Sebelum generator lepas sinkron dengan jaringan, beban harus dikurangi sampai dengan nol, dan eksitasi diset ke dalam keadaan tanpa arus sama sekali.