5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Daya Listrik Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan
sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (P) dapat dirumuskan: Daya = Energi/waktu
(2.1)
P =W/t P = V.i.t/t = V.i
(2.2)
P = i2 R
(2.3)
P = V2/R (dalam satuan volt-ampere, VA)
(2.4)
Secara garis besar daya listrik dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu: daya aktif, daya reaktif dan daya semu ( Dunia_listrik, 2009)
2.1.1
Daya aktif ( P ) Daya aktif merupakan daya listrik yang digunakan atau dirubah oleh suatu
peralatan listrik menjadi bentuk energi lain per satuan waktu, misalnya energi panas, mekanik, cahaya dan sebagainya. Besarnya daya aktif yang digunakan oleh suatu peralatan listrik biasanya tercantum dalam name plate dari peralatan tersebut. Daya aktif sering disebut juga dengan daya efektif dengan satuan watt (W) (Hayt, 1993). Besarnya daya aktif yang digunakan pada peralatan listrik satu fasa adalah : P = V.I.cosφ (watt)
(2.5)
Sedangkan besarnya daya aktif yang digunakan pada peralatan listrik tiga fasa adalah : P = √3VLIL cosφ (watt) P = 3VpIp cosφ (watt)
5
6
dimana : P
= daya aktif (W)
VL
= tegangan line / jala-jala (V)
IL
= arus line / jala-jala (A)
Vp
= tegangan fasa (V)
IP
= arus fasa (A)
cos φ = faktor daya beban
2.1.2
Daya reaktif ( Q ) Energi listrik yang diserap dan dikembalikan per satuan waktu antara
sumber listrik dan pemakai dalam rangkaian arus bolak-balik disebut dengan daya reaktif. Daya reaktif merupakan daya yang diperlukan oleh peralatan listrik yang bekerja berdasarkan sistem elektromagnetik, yaitu untuk pembentukan medan elektromagnetik dengan satuan Volt Ampere Reaktif (VAR) (Hayt, 1993). Daya reaktif untuk sistem satu fasa adalah : Q = VI sinφ (VAR)
(2.6)
Daya reaktif untuk sistem tiga fasa adalah : Q = √3VLIL sinφ (VAR) Q = 3VpIp sinφ (VAR) dimana : Q
= daya reaktif (VAR)
VL
= tegangan line / jala-jala (V)
IL
= arus line / jala-jala (A)
Vp
= tegangan fasa (V)
IP
= arus fasa (A)
sin φ = faktor daya reaktif
2.1.3
Daya semu ( S ) Daya semu merupakan daya yang diperoleh dari hasil perkalian arus dan
tegangan tanpa tergantung dari sudut fasanya. Daya semu juga disebut daya
7
kompleks yang merupakan penjumlahan secara vektor dari daya aktif dan daya reakrif. Daya yang dibangkitkan oleh sumber pembangkit tenaga listrik adalah daya semu yang dinyatakan dengan Volt Ampere (VA). Dari sejumlah daya semu ini diusahakan semuanya dapat dimanfaatkan secara maksimal dengan faktor daya beban yang tinggi (Edminister, 1985). Daya semu untuk sistem satu fasa: S = VI (VA)
(2.7)
Daya semu untuk sistem tiga fasa : S = √3VLIL (VA) S = 3VpIp (VA) dimana:
2.2
S
= daya semu (VA)
VL
= tegangan line /jala-jala (V)
IL
= arus line /jala-jala (A)
Vp
= tegangan fasa (V)
IP
= arus fasa (A)
Segitiga Daya Segitiga daya merupakan gambaran hubungan dari daya aktif (P), daya
reaktif (Q) dan daya semu (S) secara vektor. Penggambaran segitiga daya pada beban dengan faktor daya tertinggal (lagging) dan faktor daya mendahului (leading) pada sudut fasa sebesar φ adalah sebagai berikut(Hayt, 1993):
a.
b. Gambar 2.1 Segitiga Daya a. Faktor Daya Tertinggal (lagging) b. Faktor Daya Mendahului (leading) Sumber: Hayt, 1993
Keterangan : P
= daya aktif ( W )
8
Q
= daya reaktif ( VAR )
S
= daya semu ( VA)
Dari gambar 2.1 maka hubungan daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya semu (S) secara vektor adalah: S
2.3
=P+Q
(2.8)
Cos φ = P/S
(2.9)
Sin φ = Q/S
(2.10)
Tan φ = Q/P
(2.11)
Sistem Instalasi Tenaga Listrik Daya listrik dalam suatu sistem kelistrikan merupakan sarana pokok yang
sangat menentukan hidup matinya sistem tersebut dan mutlak harus tersedia, sebab setiap perangkat yang menggunakan komponen elektronik sangat memerlukan daya listrik.(Soewardjo, 1978) Menurut jenis arusnya instalasi catu daya dapat dibagi menjadi dua yaitu: 1. Jenis-jenis instalasi catu daya arus bolak balik(AC) Menurut jenisnya catu daya arus bolak balik dapat dibagi menjadi tiga bagian yaitu: a. Instalasi catu daya arus bolak-balik (AC) boleh terputus tanpa cadangan Instalasi ini hanya terdapat pada sistem yang kecil yang tidak perlu cadangan apabila PLN mati hanya memanfaatkan suplai daya dari PLN.
Gambar 2.2 Instalasi Catu Daya AC Tanpa Cadanga Sumber: Soewardjo, 1978
b. Instalasi catu daya arus bolak-balik (AC) boleh terputus dengan cadangan Instalasi ini sama dengan instalasi yang di terangkan pada gambar 2.2 diatasdengan tambahan suatu instalasi generator cadangan. Blila sumber utama(PLN) terputus maka akan di bekap oleh generator yang stenbai dijalankan dan disambungkan pada beban sehingga tidak mengganggu pemakaian listrik. Instalasi ini dapat dilihat pada gambar 2.3.
9
Gambar 2.3 Instalasi Daya AC Dengan Cadangan Sumber: Soewardjo, 1978
c. Instalasi arus bolak-balik (AC) tidak boleh terputus Instalasi ini berbeda dengan instalasi pada gambar 2.3, dalam hal ini suatu perangkat regenerative AC ditambahkan pada insalasi tersebut yang berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi DC kemudian dari tegangan DC dirubah menjadi tegangan AC kembali dengan menggunakan staic converter. Sumber batray juga disambungkan dalam float charger pada bagian DC.
Gambar 2.4 Instalasi Daya AC Tanpa Terputus Sumber: Soewardjo, 1978
Pembagian beban arus bolak-balik di bagi menjadi tiga yaitu (Harten, 1992): a. Beban tidak penting (Non esential load) Bila catu daya AC terputus dalam periode yang panjang, peralatan dalam kategori ini tidak mengganggu beban seperti lampu penerangan dan air conditional. b. Beban penting(Essential load) Peralatan dalam kategori ini dapat putus sementara dengan waktu terbatas tanpa mengganggu pemakaian pada beban seperti rectifier untuk mengisi batray input no-break set sebagai suplai pada beban penting.
10
c. Beban tanpa terputus (No break load) Pemutusan suplai terhadap peralatan dalam kategori ini segera mengakibatkan gangguan yang serius terhadap servise penggunaan beban seperti prangkat transmiai. 2. Jenis-jenis instalasi catu daya arus searah (DC) Instalasi catu daya DC pada sistem instalasi dibagi menjadi beberapa bagian di antaranya: a. Instalasi catu daya arus searah (DC) boleh terputus tanpa cadangan Jenis instalasi ini hanya cocok dipakai dengan nilai prioritas rendah. Pencatu tegangan AC sebagai tegangan primer disambungkan melalui alat rectifier yang berfungsi mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC pada harga tertentu untuk mencatu beban seperti pada gambar 2.5 di bawah:
Gambar 2.5 Instalasi Daya DC Boleh Terputus Tanpa Cadangan Sumber: Soewardjo, 1978
b. Instalasi catu daya arus searah(DC) tanpa terputus satu macam cadangan Instalasi ini sama pada gambar 2.5 namun hanya ditambah batrai pada output rectifier. Pada saat normal tegangan AC dirubah menjadi DC di pakai untuk mencatu beban dan batrai agar selalu dalam kondisi muatan penuh, seperti terlihat pada gambar 2.6
Gambar 2.6 Instalasi Catu Daya DC Tanpa Terputus Dengan Satu Cadangan Sumber: Soewardjo, 1978
11
Bila sumber ac terganggu beban masih dapat di catu dari batrai sehingga beban tidak terputus atau terganggu. Jenis instalasi ini hanya cocok untuk beban rendah dan dapat memenuhi kebutuhan secara singkat. c. Instalasi catu daya tanpa terputus dengan dua cadangan Instalasi jenis ini cocok untuk beban tinggi karena catu daya AC terganggu maka beban akan dicatu oleh genset dan batray sehingga hubungan penyaluran catu daya tidak terganggu, untuk jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.7 dibawah ini:
Gambar 2.7 Instalasi Daya DC Tanpa Terputus Dengan 2 Cadangan Sumber: Soewardjo, 1978
2.4
Beban Listrik Didalam analisis tenaga listrik, penggunaan beban dalam menganalisis
aliran daya dapat dilakukan dengan 3 cara yaitu(Suswanto, 1989) 1. Penggunaan dengan daya tetap Dalam hal ini daya aktif (MW) dan daya reaktif (MVAR) dianggap konstan dimana daya ini di gunakan sebagai repersentasi untuk studi aliran daya. 2. Penggunaan beban dengan arus tetap Dengan reperesentasi ini arus beban di hitung dimana besar arus tetap dijaga konstan 3. Penggunaan beban dengan impedansi konstan Representasi beban dengan impedansi konstan biasanya di gunakan pada analisa stabilitas suatu sistem tenaga listrik. Apabila daya aktif dan daya reaktif beban di ketahui dan di anggap konstan.
12
2.4.1
Klasifikasi beban listrik Berdasarkan jenis konsumen yang menggunakan energi listrik, dapat
diklasifikasikan menjadi (Suswanto, 1989) 1. Beban rumah tangga, pada umumnya beban rumah tangga berupa lampu untuk penerangan, alat rumah tangga, seperti kipas angin, pemanas air,lemari es, penyejuk udara, mixer, oven, motor pompa air dan sebaganya. Beban rumah tangga biasanya memuncak pada malam hari. 2. Beban komersial, pada umumnya terdiri atas penerangan untuk reklame, kipas angin, penyejuk udara dan alat–alat listrik lainnya yang diperlukan untuk restoran dan hotel yang di gunakan untuk bisnis. 3. Beban industri dibedakan dalam skala kecil dan skala besar. Untuk skala kecil banyak beropersi di siang hari sedangkan industri besar sekarang ini banyak yang beroperasi sampai 24 jam. 4. Beban Fasilitas Umun Pengklasifikasian ini sangat penting artinya bila kita melakukan analisa karakteristik beban untuk suatu sistem yang sangat besar. Perbedaan yang paling mendasar dari empat jenis beban diatas, selain dari daya yang digunakan dan juga waktu pembebanannya. Pemakaian daya pada beban rumah tangga akan lebih dominan pada pagi dan malam hari, sedangkan pada beban komersil lebih dominan pada siang dan sore hari. Pemakaian daya pada industri akan lebih merata, karena banyak industri yang bekerja siang-malam.
2.5
Karakteristik Umum Beban Listrik Karakteristik beban diperlukan agar sistem tegangan dan pengaruh dari
pembebanan dapat dianalisis dengan baik. Analisis tersebut termasuk dalam menentukan keadaan awal yang akan di proyeksikan dalam perencanaan selanjutnya. Penentuan karakteristik beban listrik suatu gardu distribusi sengat penting artinya untuk mengevaluasi pembebanan gardu distribusi tersebut, ataupun dalam merencanakan suatu gardu distribusi yang baru. Karakteristik beban ini sangat memegang peranan penting dalam memilih kapasitas transformator secara tepat dan ekonomis.
13
2.5.1
Faktor beban (load factor) Dimana faktor beban adalah perbandingan antara beban rata–rata terhadap
waktu beban puncak yang diukur dalam suatu periode tertentu. Beban rata–rata dan waktu beban puncak dapat dinyatakan dalam kilowatt (KW), kilovolt– amper(KVA), amper(A) dan sebagainya, tetapi satuan dari keduanya harus sama. Faktor beban dapat dihitung untuk periode tertentu biasanya dipakai harian, bulanan atau tahunan. Waktu beban puncak yang dimaksud disini adalah beban yang mencapai batas maksimumnya yang berlangsung sesaat atau beban puncak rata-rata dalam interval tertentu (demand maksimum), pada umumnya dipakai demand maksimum 15 menit atau 30 menit. (Suswanto, 1989) Bila diterapkan pada pusat pembangkit listrik maka di dapat:
𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 =
𝑃𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑃𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘
𝑇𝑗𝑎𝑚
×𝑇
𝑡𝑎ℎ𝑢𝑛
(2.12)
dimana : T = periode waktu 𝑃𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 = Beban rata – rata dalam periode waktu Pp= beban puncak yang terjadi dalam periode T pada selang waktu tertentu (15 menit atau 30 menit). Dimana bila 𝑃𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 dan 𝑃𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘 dalam kW dan T dalam jam atau T dalam setahun, maka didapat faktor beban tahunan, begitu pula bila T dalam satu bulan. Berikut ini beberapa faktor yang menentukan karaktristik beban dapat dibagi menjadi:(Suswanto, 1989) 1. Faktor beban harian Faktor beban harian, bervariasi menurut karakterstik dari daerah beban tersebut, apakah daerah pemukiman, daerah industri, perdagangan ataupun gabungan dari bermacam pemakai/pelanggan, juga bagimana keadaan cuaca atau juga apakah hari libur dan sebagainya. 2. Faktor beban harian rata–rata Faktor beban harian rata–rata merupakan jumlah beban yang di gunakan sehari-hari berdasarkan atas penggunaan daya listrik dalam jangka satu tahun
14
atau lebih untuk memenuhi beban harian rata-rata dapat dilihat pada gambar 1. merupakan dasar dari pada faktor beban tahunan total.
Gambar 2.8.Kurva Waktu Beban Puncak Harian Sumber: Suswanto, 1989
Gambar 2.9 Kurva Waktu Beban Puncak Bulanan Sumber: Suswanto, 1989
3. Faktor beban puncak (Peak Load) Beban puncak merupakan salah satu ukuran besarnya konsumsi energi listrik, sehingga dengan diketahui besar beban puncak, maka akan dapat diperhitungkan produksi atau kapasitas terpasang yang harus tersedia. Selanjutnya, dapat dilihat beban puncak bulanan rata–rata terhadap beban puncak tahunan, lihat gambar 2.9. misalkan Ppt = beban puncak tahuanan (annual load faktor), maka ini dapat dihitung sebagaai berikut : 𝑃
𝐹
𝑃𝑝 𝑡𝑎ℎ𝑢𝑛𝑎𝑛 = 𝑃𝑝 𝑏𝑢𝑙𝑎𝑛𝑎𝑛 × 𝑃𝑃ℎ × 𝑓𝑏ℎ 𝑃𝑏
𝑏𝑡
dimana : Fbt = faktor beban tahunan Fbh = faktor beban harian Pph = beban puncak rata – rata harian Ppb = beban puncak rata – rata bulanan
(2.13)
15
Ppt = beban puncak rata – rata tahunan
Gambar 2.10 Kurva Beban Tahunan Sumber: Suswanto, 1989
4. Faktor Penilaian Beban Faktor-faktor penilaian beban adalah faktor yang dapat memberikan gambaran mengenai karakteristik beban, baik dari segi kuantitas pembebanannya maupun dari segi kualitasnya. Faktor ini sangat berguna dalam meramalkan karakteristik beban masa datang atau dalam menentukan efek pembebanan terhadap kapasitas sistem secara menyeluruh.
Gambar 2.11 Perubahan Kebutuhan Maksimum Terhadap Waktu Sumber: Suswanto, 1989
2.6
Pola Beban Merupakan suatu pola harian dari konsumsi listrik oleh konsumen dimana
kelompok industri yang umumnya bersifat datar (flat) atau tidak mengalami perbedaan yang tajam antara saat konsumsi beban tinggi dengaan saat konsumsi beban rendah. Perbedaan konsumsi listrik industri pada pagi dan siang hari tidak terlampau berbeda dengan konsumsi pada malam hari. Sebaliknya, pola harian
16
konsumsi konsumen sektor rumah tangga secara keseluruhan sangat Fluktuatif yaitu konsumsi pada malam hari (waktu beban puncak) jauh lebih tinggi dari pada konsumsi pada pagi dan siang hari.(Suparman, 2007)
Gambar 2.12 Pola Beban Menurut Sektor Sumber: Suparman,2007
Pada gambar 2.12 menunjukan tipikal pola beban harian dari listrik yang digunakan oleh masing-masing kelompok konsumen. Penjumlahan (akumulasi) dari beban harian ini dalam satu tahun merupakan total penjualan listrik PLN. Dari masing-masing kurva terlihat bahwa kurva konsumen rumah tangga merupakan kurva yang paling fluktuatif (pada waktu beban puncak). Di pagi dan siang hari, energi listrik yang digunakan konsumen rumah tangga adalah yang terendah namun kemudian di sekitar jam 18.00-21.00, adalah yang tertingi dari kelompok konsumen lain. Pola penggunaan listrik oleh konsumen rumah tangga sangat menentukan pola total penggunaan. Pola beban sangat menentukan kombinasi pengoperasian jenis pembangkit, yang tentunya berujung pada biaya pembangkitan. Jenis pembangkit untuk memasok kebutuhan listrik minimum (beban dasar) adalah pembangkit yang dapat dioperasikan secara kontinyu dengan biaya operasi yang relatif rendah, misalnya pembangkit dengan bahan bakar batubara atau nuklir. Jenis pembangkit dengan tenaga batubara atau nuklir memiliki karakter yaitu memerlukan waktu yang lama untuk mulai beroperasi (start-up), biaya modal (capital cost) tinggi, tetapi biaya operasinya rendah. Sebaliknya, untuk memenuhi kebutuhan pada saat beban puncak, pembangkit yang digunakan adalah yang start-up cepat, biaya modal relatif rendah, tetapi biaya operasinya mahal, seperti pembangkit yang
17
menggunakan bahan bakar minyak. Maka pembangkit berbahan batu bara atau nuklir akan banyak berkontribusi sehingga biaya operasi secara keseluruhan akan lebih murah, tetapi dilain pihak akan membutuhkan biaya modal yang cukup tinggi. Jika satu sistem pembangkit listrik mempunyai terlalu banyak pembangkit beban puncak, maka akan menjadi sangat mahal untuk beroperasi, tetapi jika mempunyai terlalu banyak mengoperasikan pembangkit beban dasar, biaya investasimya mahal. Untuk suatu pola beban tertentu maka disusun suatu kombinasi pembangkit dari beban dasar, beban antara (intermediate) dan beban puncak sehingga dapat diperoleh suatu biaya tahunan minimum. Hal ini dikenal sebagai ”Optimal Mix” dari suatu pembangkitan. Gambar 2.13 menggambarkan bagaimana suatu kombinasi operasi dari pembangkit beban dasar, beban antara dan pembangkit beban puncak dalam memenuhi permintaan listrik sesuai dengan pola beban yang ada sehingga diperoleh suatu kondisi ”optimal mix” pembangkitan.
Gambar 2.13 Kombinasi Operasi Pembangkit Sumber: Suparman, 2007
Beban sistem tenaga listrik berubah setiap waktu, dari hari ke hari, bulan ke bulan, dan dari tahun ke tahun. Beban juga akan berubah dengan adanya perubahan pola konsumsi konsumen. Dalam program perencanaan kelistrikan biasanya digunakan suatu kurva yang menggambarkan pola beban yang disebut kurva lama beban atau load duration curve (LDC).
18
2.7
Aliran Daya Aliran Daya merupakan salah satu analisa sistem tenaga listrik pada
keadaan steady state. Besaran yang dihasilkan dari perhitungan studi aliran daya adalah daya nyata (real power), daya reaktif (reactive power), besaran (magnitude), dan sudut beban (phase angle) tegangan pada setiap rel. Jenis rel pada sistem tenaga listrik di bedakan menjadi beberapa macam yaitu: (Suswanto, 1989) 1. Rel Beban Merupakan rel yang mensuplai daya listrik dengan tidak bersumber dari generatot atau rel yang tidak memiliki generator. Pada rel ini daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) diketahui sehingga sering juga disebut rel PQ. Daya aktif dan reaktif yang dicatu ke dalam sistem tenaga adalah mempunyai nilai positif, sementara daya aktif dan reaktif yang di konsumsi bernilai negatif. 2. Rel Generator Rel Generator dapat disebut dengan voltage controlled bus karena tegangan pada rel ini dibuat selalu konstan atau rel dimana terdapat generator. Pembangkitan daya aktif dapat dikendalikan dengan mengatur penggerak mula (prime mover) dan nilai tegangan dikendalikan dengan mengatur eksitasi generator. Sehingga rel ini sering juga disebut dengan PV rel. 3. Slack Bus Slack Bus disebut dengan swing bus atau rel berayun. Adapun besaran yang diketahui dari rel ini adalah tegangan (V) dan sudut beban (𝛿). Suatu sistem tenaga biasanya didesign memiliki rel ini yang dijadikan sebagai referensi. Secara singkat klasifikasi rel pada sistem tenaga terdapat pada Tabel 2.1 yaitu besaran yang dapat diketahui dan tidak diketahui pada rel-rel tersebut. Tabel 2.1 Klasifikasi Rel Pada Sistem Tenaga
no
Jenis rel
1
Rel beban
2 3
Rel generator Rel bus
Sumber: Suswanto, 1989
Besaran yang di ketahui 𝑃 ×𝑄
Besaran yang tidak di ketahui 𝑉 × 𝛿
𝑃 ×𝑉 𝑉×𝛿 =0
𝑄 ×𝛿 𝑃 ×𝑄
19
2.8
Generator Sinkron Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin
sinkron. Generator sinkron atau sering disebut alternator adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan. Untuk memutar rotor generator digunakan prime mover (penggerak mula) yang dapat berupa turbin ataupun mesin diesel.( Sumanto, 1992)
2.9
Kontruksi Generator Sinkron
Konstruksi umum Generator AC adalah sebagai berikut : 1. Rangka Stator Merupakan rumah dari bagian – bagian generator lain yang terbuat dari besi tuang. 2. Stator Stator memiliki alur – alur sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai sebagai tempat GGL induksi. 3. Rotor Rotor adalah bagian yang berputar, pada bagian ini terdapat kutub–kutub yang memiliki inti dan kumparan medan yang lilitannya dialiri arus searah yang menjadi arus penguatan. 4. Cincin Geser Terbuat dari bahan kuningan atau tembaga yang dipasang pada poros dengan memakai isolasi. Cincin geser atau yang biasa disebut slip ring ini berputar bersama – sama dengan poros dan rotor. 5. Generator Penguat Generator penguat merupakan generator searah yang dipakai sebagai sumber arus pada generator utama. Pada umumnya generator AC ini dibuat sedemikan rupa, sehingga lilitan tempat terjadinya GGL induksi tidak bergerak, sedangkan kutub-kutub akan menimbulkan medan magnet berputar.
20
Gambar 2.14 Kontruksi Generator Sinkron Sumber : Sumanto. 1992
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk menghasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan non salient (rotor silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.15.
Gambar.2.15 Rotor Salient (kutub sepatu) pada Generator Sinkron Sumber : Sumanto. 1992
Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan
21
kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.16.
Gambar.2.16 (a) Rotor Silinder, (b) Penampang Rotor pada Generator Sinkron Sumber : Sumanto. 1992
2.10
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 (Zuhal, 1983) 𝑓𝑒 =
𝑁𝑟.𝑃 120
(2.14)
dimana: fe = frekuensi listrik (Hz) nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm) p = jumlah kutub magnet
2.11
Prinsip Kerja Generator Sinkron Adapun prinsip kerja dari generator sinkron secara umum adalah sebagai
berikut : 1. Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. 2. Penggerak mula (Prime Mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya. 3. Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan.
22
Jika pada kumparan medan di beri arus searah (If), maka pada permukaan kumparan medan akan timbul medan magnet (Fluksi) yang berputar dengan kecepatan putaran kumparan medan. Garis-garis gaya (fluks) yang berputan tersebut akan memotong kumparan jangakar yang ada di stator. Pada saat kutub rotor segaris dengan sumbu magnet dari kumparan stator, fluksi dengan kumparan N-lilitan stator adalah N , dimana
merupakan fluks celah udara tiap kutub dan
N adalah jumlah lilitan kumparan stator. Dengan asumsi gelombang kerapatan fluks berbentuk sinus.
Gambar 2.17 Bentuk Gelombang Kerapatan Fluks Yang Terjadi pada Medan Generator Sumber: Wijaya. 2001
Besarnya fluks celah udara tiap kutup merupakan integral dari kerapatan fluks yang dicakup pada daerah kutub. (Wijaya. 2001)
2.12
Automatic Voltage Regulator (AVR) AVR merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengatur tegangan output
dari generator secara otomatis sesuai yang di inginkan AVR langsung memberikan arus searah pada kumparan rotor, sehingga menimbulkan tegangan pada output stator. Jika terjadi penurunan tegangan, misalnya disebabkan kenaikan beban, maka AVR secara otomatis menaikan arus suplai ke gulungan rotor (kumparan medan) dan akibatnya tegangan induksi rotor akan naik sampai level semula sesuai seting dari AVR. Sebaliknya jika ada kenaikan tegangan stator karena penurunan beban maka output dari AVR menurun, arus yang masuk kumparan medan berkurang. Karena AVR hanya berfungsi sebagai pengatur tegangan, maka alat ini akan bekerja pada frekuensi atau rpm mesin pada keadaan ratingnya atau putaran normal.
23
AVR biasanya bekerja pada batas tertentu (dapat disetel). Jika terjadi kenaikan atau penurunan tegangan melebihi batas kemampuanya, harus diusahakan beban terlepas dan beberapa saat kemudian mesin mati. (Budiasa, 2003)
2.13
Kerja Paralel Generator Pelayanan beban sering harus lakukan dengan memparalel dua atau lebih
generator guna diperoleh tenaga atau daya yang dibangkitkan lebih besar. Selain untuk tujuan diatas, kerja paralel juga sering untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin(generator) yang harus dihentikan misalnya untuk reparasi. Misalnya terdapat generator dua buah yaitu G1 dan G2 dimana kedua generator hendak dihubungkan paralel melalui sebuah saklar, seperti yang ditunjukan gambar 2.20 dibawah ini.( Harten . 1992)
Gambar 2.20 Hubungan Paralel Dua Generator Sumber: Harten . 1992
Kalau di asumsikan generator G1 menghasilkan tegangan U1 dengan frekuensi f1 sedangkan generator G2 menghasilkan tegangan U2 dan frekuensi f2, maka bentuk gelombang sembarangan tegangan yang dihasilkan seperti terlihat pada gambar 2.21.
Gambar 2.21 Bentuk Gelombang Beda Tegangan G1 dan G2 Sumber: Harten. 1992
Karena kedua tegangan tidak sama, maka antara ujung saklar S diatas. Besar ∆U tersebut menjadi nol pada saat tertentu saja, misalnya pada ta dan tb. Jika dalam kondisi demikian saklar S dituntut maka pada perbedaan tegangan ∆U tersebut
24
mengakibatkan mengalirnya arus-arus penyesuaian dalam rangkaian yang menghubungkan generator-generator tersebut. Sehingga dapat membahayakan kedua mesin dan seluruh instalasi listrik. Jadi kedua generator hanya dapat dihubungkan paralel bila beda tegangan (∆U) bernilai nol setiap saat yang harus di penuhi yaitu: (Sumanto. 1992). 1. Harga sesaat GGL kedua alternator harus sama dalam besarnya, dan berlawanan arah. Dengan kata lain tegangannya sama. 2. Frekuensi kedua generator dengan jala-jala harus sama. 3. Hubungan rangkaian fase kedua generator harus sama. 4. Urutan fase kedua generator harus sama. Syarat-syarat diatas pada dasarnya berlaku juga untuk lebih dari dua generator yang akan di paralel. Paralel generator dapat diartikan menggabungkan dua buah generator atau lebih dan kemudian dioperasikan secara bersama – sama dengan tujuan : 1. Mendapatkan daya yang lebih besar. 2. Untuk effisiensi (Menghemat biaya pemakaian operasional dan menghemat biaya pembelian) 3. Untuk memudahkan penentuan kapasitas generator. 4. Untuk menjamin kotinyuitas ketersediaan daya listrik.
2.14 Sinkronisasi Dalam proses sinkronisasi generator ada beberapa metode untuk mengetahui agar sistem dapat sinkronisasi yaitu menggunakan siloskop lampu yaitu lampu-lampu yang menghubungkan titik saklar sinkroskop dan dengan alat syncronizer. Dimana saklar Sinkroskop adalah instrumen untuk menunjukkan perbedaan fase dan frekuensi antara dua tegangan. Instrumen ini sebenarnya adalah motor fase-terbagi atau split phase yang akan menghasilkan kopel jika dua tegangan yang dikenakan berbeda frekuensinya. Tegangan dari bus dan generator yang baru beroperasi itu dikenakan pada sinkroskop. Penunjuk yang dipasang pada rotor instrumen, bergerak diatas permukaan skala dengan arah baik searah jarum maupun berlawanan arah jarum jam, bergantung apakah frekuensi generator
25
baru itu lebih tinggi atau lebih rendah dibandingkan dengan frekuensi bus. Jika penunjuk berhenti dalam posisi vertical (seperti jam 12), sinkroskop menunjukkan bahwa frekuensinya sama dan tegangannya sefase. Tanda-tanda pada skala sinkroskop ditunjukkan dalam gambar 2.22.(Sumanto1992)
Gambar 2.22. Skala Sinkroskop Sumber: Sumanto,1992
Dalam operasi penyinkronan, frekuensi generator baru dinaikkan dan diturunkan agar sesuai dengan generator atau bus yang sedang jalan. Secara jelasnya, berdasarkan hubungan lampu tersebut syarat sinkron dapat diketahui yaitu: sinkronoskop lampu gelap, lampu terang, dan perpaduan antara lampu gelap dan terang. Pada gambar 2.23. adalah sinkronoskop lampu gelap, generator akan disambungkan parallel pada jaringan U-V-W. Bilamana diantara ujung saklar S masih terdapat beda tegangan maka lampu L akan menyala. Sebaliknya jika ketiga lampu tidak menyala atau padam maka perbedaan tegangan antara ujung saklar nol dan menyatakan tegangan kedua system telah sinkron.(Budiasa, 2003)
Gambar 2.23 Sinkronoskop Lampu Gelap Sumber: Budiasa, 2003 Pada metode
yang lain sikronoskop lampu dapat memperlihatkan gejala yang
sebaliknya dari keadaan tadi dalam hal ini lampu-lampu dihubungkan dengan cara lain seperti pada gambar 2.24.
Gambar 2.24 Sinkronoskop Lampu Terang Sumber: Budiasa, 2003
26
Dengan metode ini lampu dihubungkan antara dua phasa yang berlainan. Bila terdapat keadaan sinkron maka ketiga lampu akan menyala sama sama terang karena masing-masing mendapatkan tegangan antar phasa.
Gambar 2.25 Sinkronoskop Lampu Terang dan Gelap Sumber: Budiasa, 2003
Sebuah metode lagi adalah menggunakan perpaduan antara dua lampu terang dan satu lampu gelap seperti gambar 2.22 pada keadaan sinkron maka lampu Lu akan padam karena tidak ada beda tegangan kedua ujung saklar S. Sedangkan pada lampu-lampu terdapat beda tegangan antara phasa yang menyebabkan kedua lampu menyala sama terang. Dari ketiga cara diatas perlu diperhatikan bahwa lampu-lampu yang yang di gunakan harus memiliki kemampuan menerima tegangan dua kali lipat dari tegangan dari tegangan normal.
2.15
Load Sharing atau Pembagi Beban Load sharing atau pembagian beban merupakan peralatan otomatis yang
dapat membagi beban dari dua generator secara paralel atau lebih dan antara generator dengan PLN. Proses kerja load sharing saat membagi beban di bantu dengan beberapa alat pendukung yaitu dengan alat Shincronizer berfungsi untuk mensinkronkan tegangan, arus dan frekuensi dari kedua sumber yang di paralelkan agar menjadi sama. Load sharing juga menyeragamkan operasi governor dalam menaikan atau menurunkan daya mesin atau daya generator pembangkit listrik sesuai dengan perubahan beban yang di tanggungnya, dan sangat diperlukan yang memiliki karakteristik yang sama beroperasi secara paralel. Dengan alat pembagi beban generator, maka setiap generator memiliki faktor penggunaan (beban maksimum dibagi kapasitas generator) yang sama.
27
Perubahan beban akibat pemasukan atau pengeluaran generator dari sistem paralel generator-generator akan dirasakan sama oleh setiap generator dalam sistem tersebut, tanpa pemutusan beban. Alat pembagi beban generator hanya bisa diterapkan pada generator set-engine yang mempunyai governor dan bisa di kembangkan untuk sistem kontrol yang lebih lanjut dengan sistem kontrol lain. Load sharing juga merupakan suatu sistem dalam pengoperasian pembangkit yaitu pembagian beban secara bersama oleh beberapa generator atau lebih. Adapun dari sistem load sharing ini adalah juga untuk menjaga kontinuitas (kelancaran) pendistribusian tenaga listrik dan sebagai proteksi untuk pengamanan dari generator itu sendiri, apabila terjadi penurunan atau kenaikan beban. Atau dapat juga dikatakan fungsi dari load shsring ini yaitu agar generator pada saat sinkron dapat mensuplai beban dengan seimbang dengan generator lain atau sumber daya listrik seperti PLN, maka masing-masing generator di ajnjurkan untuk memiliki load sharing terutama untuk sistem otomatis dalam membagi beban listrik. (Feryy, 2010)
2.15.1 Aplikasi load sharing Aplikasinya supaya terjadi distribusi beban antar genset yang demikian maka dipergunakan alat load sharing untuk membagi beban genset secara proporsional berdasarkan kapasitas generator. Beberapa merek dipasaran menggunakan parameter tambahan selain parameter diatas yaitu persentase diviasi total kuat arus genset atau total kuat arus genset dan tranformator arus yang diperlukan. Sistem rangkaian salah satu peralatan load sharer dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Dengan demikian genset dengan kapasitas yang berbeda dapat secara aman diparalel dan menanggung beban secara proporsional sesuai dengan kapasitasnya. Namun demikian penggunaannya di dunia perkapalan masih menjadi kekhawatiran di pihak perancang mengenai arus pembebanan pada masing – masing generator atau sumber daya listrik lain.
28
2.15.2 Ketentuan agar load sharing dapat bekerja dengan baik Tentunya belum dikatakan sempurna saat memparalelkan generator dengan PLN sebelum memenuhi beberapa persyaratan untuk menjalankan load sharing untuk membagi beban yaitu sebagai berikut: 1. Generator harus mempunyai system electrical governor yang akan berpengaruh terhadap kepekaan respon beban. 2. Pada beban rendah
maupun tinggi dianjurkan PLN dengan generator
mempunyai frekuensi yang relative sama dan tegangan, arus harus sama. Baik pada sinkron manual maupun sinkron otomatic. 4. Pada saat pembebanan atau beban kejut masing masing genset mempunyai response yang sama , hal ini berkaitan dengan penyetelan droop speed dan pengaturan speed control. 6. Pada saat pemasukan dan pelepasan beban dianjurkan dengan soft unloading yaitu secara perlahan lahan dengan pengaturan speed dan Voltage. 7. Pada saat pembebanan tidak diperkenankan beban mengayun ayun dari genset satu ke genset lainnya, dan harus pada kondisi konstan. 8. Pada dua genset yang berbeda kapasitasnya pembebanan pada masing-masing genset sebaiknya secara proporsional.
2.16
Tarif Dasar Listrik PLN Yaitu menentukan tingkat dan pola pembebanan kepada konsumen akibat
penggunaan jasa pelaku usaha ketenagalistrikan dan akan menghasilkan penerimaan yang dapat menutupi biaya operasi dan tingkat keuntungan yang wajar dari nilai investasinya (Return On Investment). Dasar dalam menentukan dan menghitung tarif adalah biaya pokok-penyediaan, yaitu biaya-biaya yang harus dikeluarkan untuk membiayai pelayanan yang dijanjikan/diberikan kepada konsumen. (biaya operasi dan biaya modal). Jumlah dari seluruh biaya penyediaan kepada tiap kelas konsumen sama dengan jumlah penerimaan yang diharapkan (Revenue Requirement).(Pamungkas, 2007)
29
Berdasarkan jenisnya tarif dasar listrik di bedakan menjadi beberapa golongan yaitu: (Yudhoyono, 2011) a. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Pelayanan Sosial, terdiri atas: 1. Golongan tarif untuk keperluan pemakaian sangat kecil pada tegangan rendah, dengan daya 220 VA (S-1/TR). 2. Golongan tarif untuk keperluan pelayanan sosial kecil sampai dengan sedang pada tegangan rendah, dengan daya 450 VA s.d. 200 kVA (S2/TR). 3. Golongan tarif untuk keperluan pelayanan sosial besar pada tegangan menengah, dengan daya di atas 200 kVA (S-3/TM), b. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Rumah Tangga, terdiri atas: 1. Golongan tarif untuk keperluan rumah tangga kecil pada tegangan rendah, dengan daya 450 VA s.d. 2.200 VA (R-1/TR); 2. Golongan tarif untuk keperluan rumah tangga menengah pada tegangan rendah, dengan daya 3.500 VA s.d. 5.500 VA (R-2/TR); 3. Golongan tarif untuk keperluan rumah tangga besar pada tegangan rendah, dengan daya 6.600 VA ke atas (R-3/TR), c. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Bisnis, terdiri atas: 1. Golongan tarif untuk keperluan bisnis kecil pada tegangan rendah, dengan daya 450 VA s.d. 5.500 VA (B-1/TR); 2. Golongan tarif untuk keperluan bisnis menengah pada tegangan rendah, dengan daya 6.600 VA s.d. 200 kVA (B-2/TR); 3. Golongan tarif untuk keperluan bisnis besar pada tegangan menengah, dengan daya di atas 200 kVA (B-3/TM), d. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Industri, terdiri atas: 1. Golongan tarif untuk keperluan industri kecil/industri rumah tangga pada tegangan rendah, dengan daya 450 VA s.d. 14 kVA (I-1/TR); 2. Golongan tarif untuk keperluan industri sedang pada tegangan rendah, dengan daya di atas14 kVA s.d. 200 kVA (I-2/TR);
30
3. Golongan tarif untuk keperluan industri menengah pada tegangan menengah, dengan daya di atas 200 kVA (I-3/TM); 4. Golongan tarif untuk keperluan industri besar pada tegangan tinggi, dengan daya 30.000 kVA ke atas (I-4/TT), sebagaimana tercantum dalam e. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Kantor Pemerintah dan Penerangan Jalan Umum, terdiri atas: 1. Golongan tarif untuk keperluan kantor pemerintah kecil dan sedang pada tegangan rendah, dengan daya 450 VA s.d. 200 kVA (P-1/TR); 2. Golongan tarif untuk keperluan kantor pemerintah besar pada tegangan menengah, dengan daya di atas 200 kVA (P-2/TM); 3. Golongan tarif untuk keperluan penerangan jalan umum pada tegangan rendah (P-3/TR), f. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Traksi pada tegangan menengah, dengan daya di atas 200 kVA (T/TM) diperuntukkan bagi Perusahaan Perseroan (Persero) PT Kereta Api Indonesia, g. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan penjualan Curah (bulk) pada tegangan menengah, dengan daya di atas 200 kVA (C/TM) diperuntukkan bagi Pemegang Izin Usaha Penyediaan Tenaga Listrik, h. Tarif Dasar Listrik untuk keperluan Layanan Khusus pada tegangan rendah, tegangan menengah, dan tegangan tinggi (L/TR,TM,TT), diperuntukkan hanya bagi pengguna listrik yang memerlukan pelayanan dengan kualitas khusus dan yang karena berbagai hal tidak termasuk dalam ketentuan golongan tarif Sosial, Rumah Tangga, Bisnis, Industri, dan Pemerintah
4.17
Penetapan Denda Pada Pemakaian Energi Listrik PLN Penggunaan energy listrik oleh konsumen untuk mencegah keterlambatan
pembayaran energy listrik maka, PLN menetapkan denda kepada konsumen yang belum melakukan pembayaran. Berdasarkan telah di tanda tangani SK Direksi PT. PLN Persero maka per-Februari 2010 ini akan dikenakan tarif denda baru sebesar: (Yudhoyono, 2011)
31
1. 450 watt : Rp.5.000,00 2. 900 watt : Rp.10.000,00 3. 1300 watt : Rp. 15.000,00 4. 2200 watt : Rp.20.000,00 5. Diatas 2200watt : 3%(batas minimum Rp.75.000,00 dan maksimum Rp 100.000,00). Tanggal untuk penetapan denda untuk konsumenenergi listrik, maka denda ditetapkan dari tanggal 21tiap bulanya sehingga dari tanggal 20 konsumen harus sudah membayar walaupun tanggal 20 hari minggu/libur PLN tetap tidak memberikan kelonggaran kepada konsumen.
2.18
Penggunaan Energi Listrik Penggunaan biaya listrik PLN ditentukan pada saat pemakaian energi
listrik baik pada waktu beban puncak atau lewat waktu beban puncak, seperti perhitungan dari persamaan 2.16: E = T nyala x P
(2.14)
dimana: T = waktu jam nyala P = daya aktif yang di gunakan E = pemakaian energi listrik (kWh) Penetapan harga untuk per kWh luar waktu beban puncak(LWBP) di tetapkan dengan tariff seharga Rp 800,00/kWh yang di gunakan, sedangkan pada waktu beban puncak penetapan untuk tariff seharga Rp 1200,00 dari harga LWBP dikalikan dengan 1,5 dari factor kisaran maka, untuk harga WBP seharga Rp 1200,00/kWh
