KEMAMPUAN INDUSTRI MANUFAKTUR GENERATOR DI INDONESIA UNTUK MENDUKUNG PROGRAM PEMBANGUNAN PEMBANGKIT LISTRIK 35.000 MW Asep Andi Suryandi dan Katri Yulianto Pusat Teknologi Industri Permesinan-Teknologi Industri Rancang Bangun dan Rekayasa (PTIP-TIRBR), Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) e-mail :
[email protected],
[email protected] ABSTRAK Pemerintah telah berkomitmen untuk merealisasikan penyediaan listrik sebesar 35 ribu Megawatt (MW) dalam jangka waktu 5 tahun (2014-2019). Sementara itu, ketersediaan industri manufaktur untuk mendukung program tersebut masih belum memadai, sehingga sebagian besar komponen utama pembangkit listrik masih impor, tidak terkecuali generator. Generator sebagai salah satu komponen penting dari suatu pembangkit perlu ditingkatkan kemampuan industri manufaktur di Indonesia didalam memproduksinya. Makalah ini akan menjabarkan mengenai desain, enjineering, manufaktur dan Tingkat Kandungan Dalam Negeri (TKDN) dari industri manufaktur generator di Indonesia. Industri manufaktur generator yang akan dibahas merupakan generator untuk skala kecil, yaitu kapasitas dibawah 10 MW, 4 kutub, 50 Hz dengan tegangan keluaran 6.3 kV. Desain, enjineering dan manufaktur generator mencakup bagian stator dan rotornya. Kata Kunci : Desain, Enjineering, Manufaktur, TKDN, Generator
1.
PENDAHULUAN
Generator adalah alat yang dapat merubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip yang digunakan adalah perubahan sudut berdasarkan hukum Faraday sehingga terjadi perubahan fluks magnetik. Perubahan sudut ini dirancang dengan cara memutar kumparan pada generator. Perhatikan gambar 1:
Gambar 1. Model Generator. Kumparan Diputar Sekitar Medan Magnet
Pada ujung-ujung kumparan yang diputar diantara dua kutub magnet inilah akan timbul beda potensial. Sehingga dapat digunakan sebagai sumber tegangan dan hasilnya adalah sumber tegangan bolak-balik. Besar GGL induksinya dapat ditentukan dari hukum Faraday.
N
Dengan : ɛ = ggl induksi(volt) N = Jumlah lilitan B = Induksi magnet (Wb/m²) A = Luas kumparan (m²) ω = Kecepatan sudut (rad/s) Bagian yang berputar dari generator disebut dengan rotor sedangkan bagian yang diam disebut dengan stator. Komponen yang ada pada generator ini adalah sebagai berikut: (lihat gambar 2) a. Rotor utama b. Stator utama c. Rotor eksiter d. Stator eksiter e. Penyearah berputar f. Kipas pendingin g. Bantalan luncur h. Rumah generator i. AVR
N ( BA cos t ) t t
NBA ( sin t ) NBA (sin t ) Gambar 2. Part Generator 3MW
Dari hubungan ini dapat diperoleh: (1)
Format Makalah SNMTK - 2016
1
Generator sebagai salah satu komponen manufaktur utama didalam suatu pembangkit listrik saat ini sebagian besar masih impor, sehingga kemampuan industri manufaktur perlu ditingkatkan. Untuk itu, perlu diketahui kemampuan industri manufaktur generator di Indonesia baik kemampuan enjineering, maupun kemampuan fasilitas produksi dan pengujiannya. Dengan diketahuinya kemampuan tersebut, diharapkan dapat diidentifikasi masalah yang terjadi didalam industri manufaktur di Indonesia, agar dapat dianalisa dan diajukan solusi atas permasalahan tersebut.
(Electromagnetic (Pelm))
2.
Frekuensi (f)
PROSES DESAIN MANUFAKTUR GENERATOR
Faktor daya (PF)
Power : 0,8
(Power Factor (PF)) Jumlah kutub (2p1)
: 4
(Poles Number (2p1)) Tegangan (V)
: 6300
V
(Voltage (V)) Arus (I)
: 355,12 A
(Current (I)) : 50
Hz
: 1500
rpm
(Frequency (f)) Putaran (n) (Speed (n)) Pendinginan
: open air cooling
(Cooling system) Bearing
: double bearing
sleeve
IP
: 54 Sebelum dilakukan perhitungan dimensi stator dan generator, terlebih dahulu dilakukan perhitungan daya elektromagnetis dengan persamaan berikut: (2)
Gambar 3. Diagram Alir Desain Manufaktur Generator
Gambar 3 memperlihatkan diagram alir didalam proses desain dan manufaktur generator. Proses dimulai dari penentuan spesifikasi berdasarkan kebutuhan pengguna, desain enjineering sampai ke tahap manufaktur. 2.1. Desain dan Enjineering Generator Dalam mendesain generator sebelum drawing dengan AUTOCAD, dikalkulasi dahulu, dapat menggunakan OpenOffice Writer sebagai software untuk membantu, dimana rumus-rumus dasar perhitungan generator diisi terlebih dahulu. Untuk menghitung generator harus diketahui dahulu spesifikasi yang ingin dibuat, berikut contoh penentuan spesifikasi generator: Daya elektromagnetik (Pelm) : 3875 kVA (Electromagnetic (Pelm)
(3) Rata-rata tegangan tarik pada rotor:
(4) Setelah dilakukan perhitungan diatas, dilakukan perhitungan untuk desain inti stator dan inti rotor dengan persamaan-persamaan berikut : Perhitungan inti stator :
Power
Daya elektromagnetik (Pelm) : 3100
Format Makalah SNMTK - 2016
kW
2
Untuk mengetahui kualitas tegangan, perlu diketahui nilai dari THD(Total Harmonic Distortion) coil yang telah dikalkulasi, dapat menggunakan software MATLAB. Parameter dasar untuk pengkalkulasian THD antara lain: Jumlah Kutub, jumlah slot rotor, lebar slot rotor, diameter rotor dan jumlah slot stator. Besar THD yang diperbolehkan adalah 1,5 sampai 2% dari total tegangan. (Lihat Gambar 6) Normalized output per phase
1
Voltage, pu
(5) Jumlah slot stator Jumlah slot stator
0.5
0
-0.5
-1
(6) Dimana: p1 = jumlah pasang kutub q = kumparan per group m = jumlah fasa
Dimana: mp = jumlah bentang slot per segmen ms = jumlah segmen Perhitungan dimensi rotor Diameter rotor
150
200 Rotor position, deg
250
300
350
400
Voltage Output Fourier spectrum
1
Magnitude
Pola stator
100
0.6 0.4 0.2
(7)
50
0.8
0
0
(8) Jumlah kelompok lilitan per kutub (nr) Jumlah slot rotor virtual (9) Jumlah slot rotor (10)
Dari perhitungan dasar itu dapat dibuat gambar basic design dari generator. (Lihat Gambar 4 dan 5)
0
5
10
Harmonic Number
15
20
25
Gambar 6. Hasil Kalkulasi MATLAB Untuk Perhitungan THD Rotor
2.2. Manufaktur Generator 2.2.1. Manufaktur Stator Stator terdiri atas inti (core) dan lilitan (winding) tempat aliran listrik mengalir. Inti stator dibuat dari lembaran electric silicon steel (gambar 8) dengan tebal 0.5 mm yang diblanking sehingga permukaannya berbentuk lingkaran berongga dengan celah-celah untuk menyimpan lilitan. Lembaran electric silicon steel distamping kemudian digabungkan dengan cara dipress sehingga mencapai ukuran yang diinginkan, kemudian core tersebut dimasukkan ke dalam housing untuk dipasang lilitan. Pada generator berukuran besar biasanya core distacking (gambar 9) secara segmen dengan lembaran electric silicon steel yang diblanking per segmen. Bahan inti dari stator mempunyai tingkat permeabilitas magnetic tinggi, terbentuk dari lapisan-lapisan plat yang terlaminasi, ini dimaksudkan untuk mengurangi rugi besi karena rugi arus hystrisis yang berpusar dalam inti besi.
Gambar 4. Desain Core Rotor Berdasarkan Perhitungan Dasar Gambar 7. Stator Generator 3 MW
Gambar 5. Desain Segmen Stator Hasil Perhitungan Dasar
Format Makalah SNMTK - 2016
3
lain. Tiap-tiap kumparan terdiri atas satu lilitan atau lebih disesuaikan menurut besar tegangan. Jumlah kawat tiap sisi kumparan sama banyaknya dengan jumlah lilitan pada tiap-tiap kumparan. Setelah lilitan selesai dibuat dan diuji, lilitan kemudian diinserting ke dalam core. (Lihat gambar 12) Gambar 8. Electric Silicon Steel Sheet Inti Stator Generator 9 MW
Gambar 11. Winding stator Generator 9 MW
Gambar 9. Proses Stacking Inti Stator
Pada stator terdapat belitan penghantar yang disusun sesuai kaidah baik jumlah, jarak antar lilitan (pitch factor) dan beda sudut antar phase, sehingga menghasilkan n tegangan 3 phase yang mempunyai sudut 1200 antar phase. Belitan (windings) dari stator terbuat dari kawat berpenampang lingkaran (circular) dan segi empat (rectangular) dilapisi isolasi mekanik dan enameled-wire (listrik). Untuk generator berkapasitas besar (biasanya >4kV) menggunakan enameled-wire berisolasi daglas dengan kelas isolasi H(<180°C).(lihat tabel 1)
Tabel 1. Isolation Fibre Type For Rotating Machine (10th INSUCON International Electrical Insulation Conference)
Gambar 12. Proses Inserting Coil Stator Generator 9 MW
Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh Generator sinkron tiga fasa, ada dua tipe yaitu: a) Belitan satu lapis (Single Layer Winding). b) Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding). Lilitan yang telah diisolasi akan melalui proses Impregnation,adalah proses penempelan lapisan resin pada lapisan utama isolasi. Metode untuk menempel resin antara lain; metode Resin Rage dimana lilitan telah diisolasi oleh isolator yang mengandung resin yaitu isolasi samicatherm 336.28. Untuk mengeluarkan resin yang terkandung didalam isolator tersebut, lilitan mengalami proses hot press (gambar 13) dimana lilitan ditekan dengan tekanan sebesar 50 Bar pada kondisi suhu 150°C, ini biasa digunakan untuk generator berkapasitas besar, dimana ruang VPI tidak cukup untuk stator. Keuntungan penggunaan metode ini adalah perbaikan stator generator dapat dilakukan secara parsial dibanding dengan VPI dimana perbaikan stator dilakukan dengan pembongkaran keseluruhan apabila ada kerusakan pada lilitan ataupun corenya.
Gambar 10. Proses Pelapisan Isolasi Lilitan Stator Generator 9 MW
Pada kumparan stator terdapat sisi kumparan yang terletak dalam alur-alur, dan kepala-kepala kumparan yang menghubungkan sisi-sisi kumparan diluar alur-alur satu sama
Format Makalah SNMTK - 2016
Gambar 13. Alat Untuk Proses Hot Press
Vacuum Pressure Impregnation (VPI) (gambar 14) adalah metode lain untuk menempelkan lapisan resin. Metode ini dipilih karena tingkat penempelan
4
resin mendekati 100% serta dapat dipakai untuk berbagai ukuran dan tipe selama dapat dimasukkan ke ruang vakum. Lilitan yang sudah dipasangi lapisan isolasi utama dipasangkan pada core stator. Lilitan beserta core-nya dimasukkan ke ruang VPI. Ruangan diisolasi dan tekanannya diturunkan hingga tekanan 0,04 bar dan temperatur 12oC untuk melepaskan debu, uap air dan pengotor lain yang menempel. Setelah proses vakum selesai, resin dari tangki dituangkan ke ruang tersebut hingga stator tercelup sepenuhnya. Kemudian tekanan di ruangan dinaikkan hingga 4 bar untuk memastikan resin menempel secara sempurna.
Gambar 16. Dies
Gambar 17. Rotor Exploded View
Gambar 14. Ruang Vacuum Pressure Impregnation.
Stator kemudian dikeluarkan dari ruang vakum dan di oven pada temperature sekitar 160oC selama 24 jam untuk mengeringkan resin yang menempel pada celah lapisan isolasi utama. Kemudian stator didinginkan di temperature kamar selama beberapa jam untuk kemudian siap dirangkai dengan komponen lain (rotor dan housing). 2.2.2. Manufaktur Rotor Rotor terbuat dari material plat baja silikon dengan kadar karbon rendah, biasa disebut electric silicon steel (lihat gambar 15). Belitan rotor terbuat dari tembaga dengan konduktivitas tinggi yang dilapisi enamel. Lembaran electric silicon steel diblanking agar bagian tengahnya berlubang sebagai tempat untuk poros shaft, kemudian dinotching agar lembaran tersebut membentuk pola sebagai slot rotor. Pola tersebut dibentuk oleh dies (gambar 16). Dua per tiga badan rotor terdiri dari slot diletakkannya belitan rotor. Sepertiga sisa badan rotor merupakan pusat kutub rotor dan tidak terdiri dari slot-slot.
Gambar 15. Electric Silicon Sheet Rotor Generator 3 MW Yang Telah Diblanking
Format Makalah SNMTK - 2016
Gambar 17 memperlihatkan komponenkomponen penyusun rotor. Setiap belitan rotor dibuat secara terpisah pada setiap setengah belitan atau lebih. Belitan rotor terbuat dari tembaga. Belitan rotor inilah yang disuplai arus DC untuk membentuk medan magnet rotor. Tiap belitan terdiri dari tingkat koil konduktor dan diletakkan pada slot-slot di badan rotor. Pasak slot (slot wedges) dipasang di atas belitan berfungsi untuk memberikan hambatan sentuh (frictional resistance) guna menahan pengembangan belitan (winding expanding) akibat panas yang timbul. Pasak-pasak tersebut juga menahan gaya sentrifugal yang timbul akibat rotor berputar. Setelah core selesai dibuat, shaft rotor kemudian dipasang ke core. Untuk proses pengerjaan shaft rotor disubkontraktorkan ke pihak luar. (lihat gambar 18)
Gambar 18. Proses Machining Shaft Rotor Generator 3 MW
1. PENGUJIAN DAN TKDN 3.1. Fasilitas Pengujian Setelah generator melalui proses manufaktur, generator harus melalui proses pengujian untuk mengetahui kualitas generator serta kesesuaian performa generator hasil desain. Berikut ini merupakan fasilitas pengujian yang dimiliki oleh salah satu industry manufaktur di Indonesia.
5
A. Existing Test High Voltage Facility Technical Specification: - AC High Voltage Test Facility: MWB MESSWANDLER-BAU AG: Tegangan AC : maks. 75 kV Daya: 20 kVA (untuk test kapasitas 5 MW) Short circuit : maks. 0,13 A. - DC High Voltage Test & Impuls Facility : Tegangan DC: 35 kV. Short circuit : 60 A. - Tangent Delta Test: Untuk mengukur Kapasitansi coil / winding. B. Existing Balancing Machine Facility, Technical Specification: - Type HM40 BU Schenck Belt Drive Schenck CAB 590 (1995/1996) Berat : maks. 3 ton Panjang: maks. 1,5 m Diameter: maks. 1 meter Kecepatan: maks. 1.500 rpm Grade Balancing : 2.5 - Type H6V Schenck End Drive (Coupled) Schenck CAB 590 C/M358-01 (1991 / Computer Aided Balancing) Berat: 7-9 Ton Panjang: maks. 4 m Diameter: maks. 2,4 m Kecepatan: maks. 2.800 rpm Grade BaIlancing : 2.5
Untuk mencapai Alternator 50 MW didapat perkiraan berat rotor Generator Sinkron mencapai 50 Ton, dimana kemampuan Overhead Gantry Crane menjadi tidak mampu untuk melakukan pengangkatan. Mengingat rumus mesin listrik: N = (120 x f) / p N = rpm F = frekwensi (50 Hz PLN) P = jumlah kutub N = (120 x 50) / 2 = 3.000 rpm Jadi desain generator sudah tidak dapat melebihi 3.000 rpm, kalaupun harus di coupled dengan Turbin Uap yang berkecepatan putaran yang tinggi 9.000 – 12.000 rpm dibutuhkan “gear transmission” untuk mereduksi kecepatan turbin sampai ke kecepatan yang diinginkan. Existing Motor DC 250 kW untuk generator Running Test: Kemampuan maksimal hanya untuk menguji Generator Sinkron kapasitas 5 MW, untuk meningkatkan kemampuan test sampai kapasitas 50 MW diperlukan motor DC uji dengan kapasitas 5% dari total kapasitas generator 50 MW yang akan ditest, berarti motor DC tersebut adalah 5% x 50 MW = 2,5 MW. High Voltage Test Facility untuk menguji Generator Sinkron dengan kapasitas 50 MW diperlukan Daya AC sebesar 100 – 400 kVA.
3.2. TKDN Berdasarkan Peraturan Menteri Perindustrian No.54/M-IND/PER/03/2012: Tentang Pedoman Penggunaan Produk Dalam Negeri Untuk Pembangunan Infrastruktur Ketenagalistrikan TKDN barang minimum untuk PLTU dengan kapasitas <15 MW sebesar 67,95%, untuk PLTP kapasitas <5 MW sebesar 31.30%. Untuk generator yang diproduksi di Indonesia dengan kapasitas 3 MW diperoleh data TKDN generator sebesar 56.1%
REFERENSI
2.
KESIMPULAN Melihat kebutuhan PLN untuk mendapatkan 3, 7, 15, 25 dan 50 MW dengan range putaran 9.000 – 12.000 rpm untuk mencapai heat rate: 3.000 kkcal/kWh. Untuk membuat Alternator: 3 dan 7 MW didapat perkiraan berat rotor Generator Sinkron mencapai 7-9 Ton, dimana Overhead Gantry Crane dengan Rel penopang sepanjang tembok masih bisa diatasi karena kemampuan Crane mencapai: 20 Ton. Untuk mencapai Alternator 15 MW didapat perkiraan berat rotor Generator Sinkron mencapai 20 Ton, dimana kemampuan Overhead Gantry Crane menjadi sangat “kritis” assembled dan di-assembled Generator tersebut.
Format Makalah SNMTK - 2016
[1]. Brütsch, Rudolf , Rey, Dominique, Conductor Insulation For Rotating Machine, 10th INSUCON International Electrical Insulation Conference, Birmingham, (2006) [2]. Boldea, Ion, The Electric Generators Handbook: Synchronous Generators, Taylor & Francis Group, New York, (2008) [3]. Cathey, Jimmie J, Electricmachines: Analysis and Design Applying MATLAB, McGraw-Hill, New York, (2001) [4]. Zawoysky, Ronald J, Karl C. Tornroos, GE Generator Rotor Design, Operational Issues, and Refurbishment Options, GE Power Systems, Schenectady, New York, (2001) [5]. Kiameh, Philip, Power Generation Handbook (Selection, Application, Operation, and Maintenance), McGraw-Hill, New York, (2002) [6]. Febriyanto, Andri, Konstruksi Generator Pada Pembangkit, [7]. http://www.scribd.com/doc/72106377/10Hukum-Faraday [8]. http://www.pindad.com
6
