BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
PENGERTIAN POMPA Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang
relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah. Fluida cair pada tekanan tinggi memiliki energi potensial yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan fluida cair pada tekanan yang rendah. Oleh karenanya, fluida cair akan mengalir dari tempat bertekanan tinggi menuju tempat bertekanan rendah. Banyak pengertian tentang pompa, namun pengertian pompa yang dipakai secara umum adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Pompa merupakan sebuah mesin yang mampu menambahkan tekanan ataupun energi kepada fluida cair. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.
Dengan memasang pompa, fluida cair akan mampu dialirkan dari tempat berdataran rendah menuju tempat yang relatif lebih tinggi. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada di sepanjang pengaliran. Sistim pemompaan bertanggung jawab terhadap hampir 20% kebutuhan energi listrik dunia dan penggunaan energi dalam operasi pabrik industri tertentu berkisar 25-50% (US DOE, 2004).
Gambar 2.1 Sistem Pemompaan Dalam Sebuah Industri (US DOE, 2001) [12]
Secara umum, komponen utama sistem pemompaan (seperti yang terlihat dalam Gambar 2.1 di atas) adalah: 1. Pompa 2. Mesin penggerak: motor listrik, mesin diesel atau sistem udara 3. Pemipaan, digunakan untuk membawa fluida
4. Kran, digunakan untuk mengendalikan aliran dalam sistem 5. Sambungan, pengendalian dan instrumentasi lainnya 6. Peralatan pengguna akhir, yang memiliki berbagai persyaratan (misalnya tekanan, aliran) yang menentukan komponen dan susunan sistim pemompaan. Contohnya adalah alat penukar panas, tangki dan mesin hidrolik.
2.2
KLASIFIKASI POMPA Klasifikasi pompa menurut prinsip operasi dasarnya, dapat diklasifikasikan
menjadi dua bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (dynamic pump) atau yang sering disebut sebagai pompa sentrifugal. Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai rancangan pompa. Jika berbagai rancangan pompa digunakan, pompa sentrifugal biasanya yang paling ekonomis diikuti oleh pompa rotary dan reciprocating. Walaupun pompa perpindahan positif biasanya lebih efisien daripada pompa sentrifugal, namun keuntungan efisiensi yang lebih tinggi cenderung diimbangi dengan meningkatnya biaya perawatan. Gambar 2.2 di bawah ini akan menjelaskan berbagai jenis pompa yang hadir dalam berbagai ukuran untuk penggunaan yang luas.
Gambar 2.2 Berbagai Jenis Pompa [12]
2.2.1 Pompa Kerja Positif (Positive Displacement Pump) Pompa perpindahan positif dikenal dengan caranya beroperasi, yaitu cairan diambil dari salah satu ujung dan pada ujung lainnya dialirkan secara positif untuk setiap putarannya. Energi mekanik dari putaran poros pompa dirubah menjadi energi tekanan untuk memompakan fluida. Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Pada pompa jenis ini dihasilkan head yang tinggi tetapi kapasitas yang dihasilkan rendah. Pompa perpindahan positif digunakan secara luas untuk pemompaan fluida selain air, biasanya fluida kental. Pompa perpindahan positif selanjutnya digolongkan berdasarkan cara perpindahannya, yaitu: pompa rotary dan pompa torak (piston). 2.2.2 Pompa Kerja Dinamis (Dynamic Pump)
Sering juga disebut sebagai pompa sentrifugal. Gaya sentrifugal adalah sebuah gaya yang mengakibatkan benda atau partikel terlempar ke luar dalam lintasan melengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan suatu pompa yang memiliki elemen utama sebuah motor dengan sudu impeller berputar dengan kecepatan tinggi. Fluida masuk dipercepat oleh impeller yang menaikkan kecepatan fluida maupun tekanannya dan melemparkan ke luar volut. Biasanya lebih dari 75 % pompa yang dipasang di sebuah industri adalah pompa sentrifugal. Prinsip kerjanya adalah mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. 2.2.2.1 Prinsip Kerja Sentrifugal Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk mengangkat zat cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan pada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam impeller oleh dorongan sudu-sudu dapat berputar. Karena timbul gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah impeller ke luar melalui saluran di antara sudu-sudu. Disini head tekanan zat cair menjadi lebih tinggi. Demikian juga head kecepatannya menjadi lebih tinggi karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar melalui impeller akan ditampung oleh saluran berbentuk volute (spiral) dikelilingi impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nozel (outlet/discharge). Di dalam nosel ini sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head tekanan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja pada zat cair sehingga energi yang dikandungnya
menjadi lebih besar. Selisih energi per satuan berat atau head total zat cair antara flange (flens) isap dan flange (flens) keluar disebut head total pompa. Dari uarian di atas, jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energi mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang mengakibatkan perubahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara kontinu.
Gambar 2.3 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal [14]
Menurut proses perpindahan energi dan benda cair sebagai bahan aliran, maka pompa sentrifugal termasuk mesin aliran fluida hidraulik. Rumus utama Euler untuk mesin aliran fluida juga berlaku untuk pompa ini. Tinggi kenaikan dari pompa sentrifugal adalah sama dengan perbandingan kwadrat dari kecepatan putar pompa. Karakteristik pompa sentrifugal ditentukan oleh besaran-besaran sebagai berikut:
1. Volume fluida yang dipompa V 2. Tinggi kenaikan H 3. Sifat atau keadaan di sisi bagian isap 4. Daya yang dibutuhkan untuk memutar pompa Pompa sentrifugal mempunyai daerah penggunaan yang sangat luas, seperti pada pemakaian dalam masalah ekonomi air, mesin tenaga dan instalasi pemanas, kimia maupun petro kimia, perkapalan dan pompa yang dipakai di tambangtambang. Lingkup penggunaan pompa sangat luas dengan berbagai kebutuhan terhadap kapasitas dan tinggi kenaikan yang berbeda-beda. Kadang-kadang pompa harus dibuat secara khusus sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan terhadap kapasitas pompa yang dibutuhkan, tinggi kenaikan dan bahan (fluida) yang akan dipompa, serta terdapat juga persyaratan khusus dari tempat di mana pompa tersebut akan dipasang, dari kemungkinan pemilihan mesin penggerak pompa dan dari masalah perawatan pompa tersebut. 2.2.2.2 Bagian-Bagian Pompa Sentrifugal Pada pompa sentrifugal, fluida cair digerakkan oleh gaya sentrifugal dari daerah yang bertekanan rendah di pusat impeller menuju daerah yang bertekanan tinggi di discharge pompa. Secara garis besar, elemen atau komponen-komponen utama dari pompa sentrifugal ini, adalah sebagai berikut:
Gambar 2.4 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal [2]
Keterangan gambar (bagian-bagian utama pompa sentrifugal): A.
Stuffing Box
B.
Packing
C.
Shaft (Poros)
D.
Shaft Sleeve (Selongsong Poros)
E.
Vane
F.
Casing (Rumah Pompa)
G.
Eye of Impeller
H.
Bearing (Bantalan)
I.
Casing Wear Ring (Cincin Penahan Aus)
J.
Impeller
K.
Discharge Nozzle
2.3
TURBIN AIR Kemajuan teknologi sekarang ini dalam bidang teknik mesin terutama
dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin. Turbin air dikembangkan pada awal abad ke-19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri sebelum adanya jaringan listrik. Kata “turbin” ditemukan oleh insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata whirling (putaran) atau vortex (pusaran air) pegunungan. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Sekarang turbin air digunakan untuk pembangkit tenaga listrik. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.
Gambar 2.5 Pusat Tenaga Air Tekanan Tinggi Di Pegunugan [2]
Dalam suatu PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Energi mekanik dalam bentuk putaran poros ini akan diubah oleh generator listrik menjadi tenaga listrik.
Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu: Ep = m × g × h Keterangan: Ep
= energi potensial air (Joule)
m
= massa air (kg)
h
= tinggi air jatuh (meter)
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
Dengan menggunakan rumus-rumus mekaina fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi baian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi dari aliran air dapat ditentukan. Ukuran dan penampang saluran aliran air, termasuk sudut-sudut sudu dari konstruksi turbin air yang berbeda-beda adalah diperuntukkan pada keadaan
pembebanan yang normal (kebanyakan untuk pembebanan penuh). Dari kapasitas air Q dan tinggi air jatuh efektif Heff. dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin: P = Q × ρ× G × Heff× ηT
Keterangan: P
= daya turbin (KW)
Q
= kapasitas air (m3/detik)
ρ
= massa jenis cairan (kg/m3)
Heff
= head efektif (m)
ηT
= effisiensi turbin
Selama tinggi air jatuh efektif Heff. tetap sama daya yang dihasilkan turbin disesuaikan dengan kebutuhan, dengan jalan mengubah-ubah kapasitas Q. Hal ini terjadi karena posisi peralatan pengarah yang berubah. Sebagai hasilnya didapat perbedaan harga randemen turbuin saat pembebanan penuh.
ηT
pada saat pembebanan sebagian dari pada
Gambar 2.6 Randemen Beberapa Konstruksi Turbin Air Pada Saat Pembebanan Sebagian; Informatif
[2]
Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air [2]
Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:
Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.
Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:
Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:
Keterangan: P
= tekanan absolut (N/m2)
v
= kecepatan (m/s)
Hl
= head losses pada pipa (m)
Heff
= head efektif (m)
Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana: Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V1 ≈ 0.
(pressure grade adalah nol).
Maka,
Persamaan kontinuitas: Q=V×A Keterangan: Q
= debit aliran (m3/detik)
V
= kecepatan aliran (m/s)
A
= luas penampang pipa (m2)
Head losses yang terjadi pada saluran pipa: 1. Mayor Losses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa
2. Minor Losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.
2.3.1 Klasifikasi Turbin
Gambar 2.8 Kincir Air [11]
Kincir air adalah jenis turbin yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana dan biasanya bekerja pada tinggi air yang rendah berkisar antara 0,1 meter sampai 12 meter (roda kincir besar), dengan kapasitas aliran antara 0,05 m3/det sampai 5 m3/det, serta kecepatan putarannya kecil berkisar pada 2 rpm sampai 12 rpm. Selain energi tempat, faktor yang harus diperhatikan pada kincir air adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk ke dalam sel-selnya. Air yang mengalir ke dalam dan ke luar dari kincir tidak mempunyai tekanan lebih, hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air yang mengalir ke dalam kincir harus kecil, sebab bila kecepatannya besar ketika melalui sel air akan melimpah ke luar atau energi yang ada hilang percuma. Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibagi menjadi dua kelompok, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Table 2.1 Pengelompokan Turbin High Head
Impulse Turbine
Pelton Turgo
Medium Head
Low Head
Cross Flow Multi-Jet Pelton Turgo
Cross Flow
Francis
Reaction Turbine
Francis
Propeller Kaplan
Kaplan
Pelton
Gambar 2.9 Klasifikasi Turbin Air [2]
1. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanankecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Semua energi tinggi tempat, dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan (Gambar 2.15). Pancaran air tersebut akan menghasilkan gaya tangensial Fu di roda jalan.
Gambar 2.10 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), jalannya tekanan di dalam pipa dan di dalam roda jalan [2]
2. Turbin Reaksi atau Turbin Tekanan Lebih Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak (Gambar 2.11). Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium. Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap (Hs).
Gambar 2.11 Sistem Kerja Dari Tinggi Air Jatuh mulai dari sudu pengarah, sudu jalan dan ke pipa. Pembagian energi tinggi air jatuh ke sudu pengarah; di sudu jalan timbul tekanan kerendahan dan di dalam pipa isap tekanan tersebut kembali terbentuk [2]
2.3.2 Perbandingan Karakteristik Turbin Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin [10] Turbin Pelton
12 < ns< 25
Turbin Francis
60 < ns< 300
Turbin Crossflow
40 < ns< 200
Turbin Propeller
250 < ns< 1000
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).
Gambar 2.12 Perbandingan Karakteristik Turbin [11]
Pada gambar terlihat turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena pada saluran sudu jalan belokannya hanya sedikit saja. Pada waktu bekerja sudu jalan turbin ini dapat diatur posisinya, disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh.
Gambar 2.13 Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin yang Berbeda [2]
Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.
2.4
PENGGUNAAN POMPA SEBAGAI TURBIN Salah satu alternatif yang ekonomis untuk membangun pembangkit listrik
tenaga air skala kecil adalah dengan menggunakan pompa sebagai turbin. Bidang ilmu yang khusus mengoperasikan pompa sebagai turbin ini sering disebut dengan istilah PAT, singkatan dari Pumps As Turbine. Jarang yang tahu bahwa beberapa tipe pompa air dapat diaplikasikan sebagai turbin air. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin, prinsip kerja pompa di balik - yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeler pompa. Putaran impeler ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik.
Gambar 2.14 Instalasi Penggunaan Pompa Sebagai Turbin
Tujuan dari rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal sebagai turbin adalah untuk mengevaluasi penggunaan pompa sebagai turbin dalam hal performansi pada kapasitas dan efisiensi. Pada operasi turbin, debit bertambah seiring dengan kenaikan head. Head yang tersedia pada turbin sama dengan ketinggian vertikal antara sisi masuk aliran di reservoir dengan sisi keluar, sebagian kecil menjadi kerugian head pada pipa penstock. Kecepatan putar turbin bervariasi menurut beban dan terdapat perbedaan efisiensi untuk masing-masing kecepatan putar dan head. Beberapa kelebihan aplikasi pompa sebagai turbin air adalah: 1. Sebagai produk industri yang massal, pompa mudah diperoleh dengan berbagai variasi head - flow, tersedia dalam berbagai tipe dan ukuran. 2. Mudah dalam instalasinya. 3. Harga relatif murah daripada turbin, dan suku cadang mudah diperoleh. 4. Aplikasi pompa dapat dikoneksi secara langsung dengan generator (direct drive) atau menggunakan transmisi mekanik pulley-belt (indirect drive)
apabila putaran pompa sebagai turbin tidak sama dengan putaran generator (umumnya 1500 rpm). Jenis pompa yang umum dipakai sebagai turbin adalah end-suction centrifugal pump untuk jatuhan 7 meter-100 meter dengan debit kecil (50 liter/detik s.d 150 liter/detik) dan mixed-flow pump untuk jatuhan rendah 4 meter15 meter dengan debit cukup besar (100-400 liter/detik). Kapasitas daya aplikasi pompa sebagai turbin beragam, mulai dari 1 kW-100 kW, dengan biaya peralatan yang lebih murah (s.d 50 %) dibandingkan dengan menggunakan turbin air (costume product). Hasil penelitian menunjukkan bahwa pompa sentrifugal sebagai turbin bisa diandalkan dengan efisiensi yang tinggi pada unit pembangkit skala kecil. Aplikasi pompa sebagai turbin di lapangan sudah cukup banyak. Aplikasi pompa sebagai turbin dapat dilakukan di saluran irigasi, tailing bendungan, menara air gedung-gedung tinggi memanfaatkan jatuhan air kondensasi pendingin, atau membuat sodetan (run-off river). Rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal sebagai turbin dalam skripsi ini adalah sistem terbuka. Penulis memilih sistem ini karena lebih mirip dengan instalasi sebenarnya dalam penggunaan PAT dan pompa pengumpan lebih sederhana, walaupun instalasi yang akan dirancang bangun akan lebih mahal, lebih rumit serta head untuk pengujian terbatas.
2.5
GENERATOR Generator listrik adalah sebuah alat yang menghasilkan energi listrik dari
sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang
ditemukan oleh Faraday. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin uap, air yang jatuh melalui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain. Berdasarkan arus keluarannya, generator dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu generator arus searah atau biasa disebut dinamo, dan generator arus bolakbalik atau alternator. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar gelung di antara kutub utara-selatan sebuah mangnet. Perbedaan generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah pada cincin luncur yang berhubungan dengan tiap ujung gelung. Pada generator arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, disebut cincin belah atau komutator. Pada sistem pembangkit listrik biasanya menggunakan generator arus bolakbalik. Berdasarkan kecepatan memutar gelung, generator ini dibagi lagi menjadi generator sinkron dan generator asinkron (generator induksi). Disebut mesin sinkron, baik generator maupun motor karena beroperasi pada kecepatan sinkron, yaitu kecepatan dimana terbentuk medan magnet oleh gelung yang berotasi. Kecepatan sinkron ini dapat diperoleh dari:
Keterangan: Ns
= kecepatan sinkron (putaran/detik)
f
= frekuensi (Hz)
P
= jumlah kutub dalam generator
Pada generator AC (alternator) pembangkit listrik, magnetlah yang berputar sedangkan kumparannya diam. Magnet yang digunakan bukan magnet permanen melainkan elektromagnet (kumparan yang dililitkan pada inti besi), sehingga medan magnetik yang dihasilkan lebih besar daripada menggunakan magnet permanen. Dalam alternator pembangkit listrik, kumparan yang diam disebut kumparan jangkar, sedangkan kumparan yang bergerak disebut kumparan medan. Kumparan jangkar dan inti besinya disebut stator dan kumparan medan dan inti besinya disebut rotor. Rotor dan turbin memiliki poros yang sama sehingga putaran turbin akan juga memutar rotor. Selain memberi putaran pada rotor, turbin juga memberi tenaga pada sebuah dinamo kecil (disebut exiter) yang berfungsi menyuplai arus listrik ke kumparan medan. Generator induksi adalah generator listrik yang secara mekanis dan elektrik mirip dengan motor induksi. Generator induksi menghasilkan energi listrik ketika porosnya diputar lebih cepat dari kecepatan sinkron yang dimiliki motor induksi setara. Generator induksi sering digunakan untuk turbin angin dan beberapa instalasi mikro hidro karena kemampuannya untuk menghasilkan daya yang
bermanfaat pada berbagai kecepatan rotor. Generator induksi secara mekanis dan elektrik lebih sederhana daripada jenis generator lainnya. Generator induksi tidak memiliki exiter seperti pada generator sinkron, artinya generator ini memerlukan pasokan listrik eksternal untuk menghasilkan fluks magnetik yang berputar. Pasokan listrik eksternal ini dapat diperoleh dari jaringan listrik lain ataupun dari generator itu sendiri setelah mulai menghasilkan daya. Fluks magnet berputar dari stator menginduksi arus pada rotor, yang juga menghasilkan medan magnet. Jika rotor ternyata lebih lambat dari laju fluks berputar, mesin bertindak seperti motor induksi. Jika rotor diputar lebih cepat, akan bertindak seperti generator, menghasilkan daya pada frekuensi sinkron. Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) telah diterapkan secara luas pada PLTMH dan diakui keandalannya. Meskipun dari segi effisiensi, khususnya pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik generator sinkron, tetapi karena motor induksi banyak tersedia dipasaran dengan range daya yang luas dan konstruksi motor induksi jauh lebih sederhana dibanding generator sinkron sehingga lebih handal terhadap run away speed serta lebih mudah perawatannya. Maka MISG dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron untuk pembangkit mikro hidro. Prinsip kerja MISG secara sederhana akan lebih mudah dipahami dari prinsip kerja motor induksi. Apabila motor induksi dihubungkan dengan tegangan tiga fasa, pada kumparan statornya akan timbul medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (disebut sebagai kecepatan sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah kutub statornya. Medan magnet putar pada kumparan stator akan memotong batang konduktor pada kumparan rotor, akibatnya pada kumparan akan
dibangkitkan tegangan induksi. Pada kumparan rotor, karena batang konduktor (umumnya berupa slot alumunium yang dihubungsingkatkan pada kedua ujungnya) merupakan rangkaian yang tertutup, tegangan induksi pada rotor yang disebabkan oleh medan magnet putar stator akan menghasilkan arus listrik. Interaksi antara medan magnet putar pada stator pada arus rotor akan menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada stator. Seperti yang telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relatif antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar akan selalu lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi apabila motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor digerakan oleh turbin, adanya magnetisasi sisa (remannent magnetism) pada rotor umumnya cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai motor. Agar pada kumparan stator dapat dibangkitkan tegangan listrik diperlukan daya reaktif untuk membangkitkan medan magnet putar. Pada kasus MISG beroperasi sendiri (Isolated Grid) daya reaktif tersebut harus disuplai lewat kapasitor eksitasi. Pada kasus MISG dikoneksikan dengan jaringan listrik lain (Grid Connected) daya reaktif disuplai lewat jaringan tersebut. Kebalikan dari proses sebagai motor, sebagai generator slip yang terjadi haruslah negatif, artinya kecepatan rotor harus selalu lebih besar dari kecepatan medan magnet putarnya.
Tidak semua motor induksi cocok digunakan sebagai MISG. Jenis motor yang cocok digunakan untuk MISG adalah jenis sangkar tupai (Squirel Cage Motor). Kelebihan dari MISG daripada generator sinkron adalah sebagai berikut: 1. Lebih murah daripada menggunakan generator sinkron terutama untuk keperluan daya yang rendah seperti pada PLTMH karena dapat digunakan motor bekas. 2. Generator ini tidak akan bermasalah apabila kelebihan beban (overload), apabila terjadi kelebihan beban generator ini hanya akan berhenti menghasilkan listrik, apabila beban berlebih dilepaskan maka generator akan bekerja seperti semula. 3. Mudah dibuat dari motor induksi, hanya dengan menyambungkan kapasitor secara paralel ke motor dan dijalankan pada kecepatan lebih tinggi dari rpm yang tertera. Kekurangan MISG dari generator sinkron adalah sebagai berikut : 1. Generator sinkron dapat dibeli dan langsung digunakan, sedangkan MISG memerlukan perhitungan nilai kapasitor sesuai yang akan dipasangkan pada motor. 2. Generator tidak dapat di-start jika dipasangkan beban, generator tidak boleh dipasangkan beban sebelum mencapai kecepatan kerja. 3. Generator ini tidak boleh digunakan untuk mengerakkan motor induksi, karena induktansi tambahan dari motor akan membatalkan reaktansi dari kapasitor dan menyebabkan generator berhenti menghasilkan listrik. Untuk pengujian tidak digunakan MISG karena alasan berikut ini:
1.
Sudah ada generator dari Laboratorium Mekanika Fluida sehingga dapat menghemat biaya.
2.
Tidak ada motor induksi bekas yang dapat dipakai, sehingga akan lebih mahal jika dibeli motor induksi yang baru.
3.
Untuk pengujian MISG kurang effisien untuk digunakan karena untuk putaran rendah tidak dapat menghasilkan listrik.
Gambar 2.15 Generator AC
2.6
DAYA PAT (PUMP AS TURBINE) Daya pompa yang digunakan sebagai turbin dapat dihitung dengan rumus
Keterangan:
V
= tegangan yang dihasilkan (volt)
I
= kuat arus yang diperoleh (ampere) = effisiensi transmisi (berdasarkan perbandingan putaran)
g
= effisiensi generator (diasumsikan sebesar 0,8) = 0,8
2.7
DAYA AIR Daya air dapat dihitung dengan rumus Pair = ρ× g × H × Q Keterangan:
= massa jenis air (1000 kg/m3)
g
= gaya gravitasi (9,81 m/s2)
Heff = head effektif (m) Q
2.8
= kapasitas air (m3/s)
EFFISIENSI PAT Effisiensi PAT (pump as turbine) diperoleh dari perbandingan nilai daya
PAT dan daya air yaitu:
PAT
PPAT x100% Pair
Keterangan:
PAT
= effisiensi PAT (%)
PPAT
= daya PAT (Watt)
Pair
= daya air (Watt)
