SISTEM PENGUATAN DENGAN SIKAT (BRUSH EXCITATION SYSTEM) PADA GENERATOR UNIT 1 PLTU CILACAP Oleh: Heri Irawan (L2F 006 049) Abstrak Sistem eksitasi adalah sistem mengalirnya pasokan listrik arus searah sebagai penguatan pada generator listrik, sehingga menghasilkan tenaga listrik dan besar tegangan keluaran bergantung pada besarnya arus eksitasi. Pada sistem pengaturan modern, eksitasi memegang peranan penting dalam mengendalikan kestabilan suatu pembangkit karena apabila terjadi fluktuasi beban maka eksitasi sebagai pengendali akan berfungsi mengontrol keluaran generator seperti tegangan, arus dan faktor daya dengan cara mengatur kembali besaran-besaran input guna mencapai titik keseimbangan baru. Bila arus eksitasi naik maka daya reaktif yang disalurkan generator ke sistem akan naik sebaliknya bila turun maka daya reaktif yang disalurkan akan berkurang. Jika arus eksitasi yang diberikan terlalu kecil, aliran daya reaktif akan berbalik dari sistem menuju ke generator sehingga generator menyerap daya reaktif dari sistem. Keadaan ini sangat berbahaya karena akan menyebabkan pemanasan berlebihan pada stator. GES-3320 ini merupakan jenis sistem eksitasi dengan menggunakan sikat dimana arus eksitasi untuk mengatur besar kecilnya daya reaktif diperoleh dari sikat. Kata Kunci : eksitasi, generator, GES-3320
I 1.1
PENDAHULUAN Latar Belakang Melihat semakin berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini, tuntutan terhadap metode pengajaran, pendidikan, dan materinya juga harus ditingkatkan. Untuk itu, Universitas Diponegoro Semarang sebagai lembaga akademis yang berorientasi pada riset dan teknologi, menetapkan kurikulum yang mampu mengakomodasi perkembangan yang ada. Bidang teknik elektro merupakan salah satu bidang yang terus mengalami perkembangan yang begitu pesat. Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro yang merupakan pendidik ahli di bidang teknik elektro, dalam hal ini selalu berusaha menciptakan kompetensi lulusan yang diharapkan dapat menghadapi persaingan global, sesuai target yang telah digariskan dalam kurikulum nasional. Oleh karena itu proses pengefektifan sumber daya manusia melalui pendidikan nasional yang berdayaguna dan berhasil perlu didukung oleh seluruh lapisan masyarakat, baik itu dari instansi pemerintah maupun swasta yang mempunyai tujuan membentuk manusia Indonesia seutuhnya. Salah satunya usaha PT. Sumber Segara Primadaya (S2P) PLTU 2 x 300 MW Cilacap melalui penerimaan mahasiswa praktek/magang sebagai wujud sumbangsih dalam rangka memasyarakatkan teknologi industri di Indonesia. Proses produksi energi listrik di PT. Sumber Segara Primadaya (S2P) PLTU 2 x 300 MW Cilacap ini banyak didukung oleh sistem teknologi
modern seperti pada perusahaan-perusahaan modern lainnya. Salah satunya adalah GES-3320 Type AVR yang merupakan sistem eksitasi modern yang digunakan untuk mengatur besar kecilnya arus eksitasi pada generator sinkron 3 fasa secara otomatis. 1.2
Tujuan Tujuan penulisan laporan kerja praktek ini adalah : 1. Mengetahui sistem dan lingkungan kerja industri pembangkitan tenaga listrik di PT. Sumber Segara Primadaya PLTU 2 x 300 MW Cilacap. 2. Mengetahui sistem kerja Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). 3. Memberikan gambaran yang jelas sistem penguatan dengan sikat pada (bruseh excitation) pada generator. 1.3
Pembatasan Masalah Dalam penyusunan laporan kerja praktek ini, pembahasan hanya dibatasi pada masalah pembangkitan, khususnya pada pembahasan tentang Sistem Penguatan dengan Sikat (Brush Excitation) pada generator dan tidak membahas sistem control pada AVR (Automatic Voltage Regulator). II
PROSES PRODUKSI TENAGA LISTRIK PLTU 2 X 300 MW CILACAP Konversi energi adalah perubahan bentuk dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang
lain. Dalam perubahan bentuknya selalu ada perubahan energi yang dikandungnya. Perubahan energi yang dimaksud dapat berarti menghasilkan energi atau membutuhkan energi untuk berubah bentuk. Konversi energi pada pembangkit termal terjadi di peralatan/mesin-mesin termal. Dapat dikatakan mesin-mesin termal bekerja karena adanya konversi energi/perubahan bentuk energi. Sumber-sumber energi yang ada di alam ini dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu energi yang dapat diperbaharui (renewable) dan energi yang tidak dapat diperbaharui (non renewable). Energi yang tidak dapat diperbaharui ini umumnya merupakan energi fosil. Energi yang dapat diperbaharui (renewable) adalah energi-energi yang tidak penah habis. Sedangkan energi yang tidak dapat diperbaharui sekali pakai habis, selanjutnya harus menambang/mengeksplorasi lagi. Energi ini tanpa upaya manusia tidak mungkin ada, jadi harus dieksplorasi dari perut bumi. Pada kenyataannya, justru energi yang tidak dapat diperbaharui (non renewable) inilah yang sekarang banyak dipakai oleh penduduk dunia. Pembangkit-pembangkit termal semuanya menggunakan energi fosil, misalnya : PLTG, PLTU, PLTGU, dan PLTD. Energi fosil yang digunakan adalahHSD, gas, Heavy Fuel Oil (HFO), dan batubara. Dalam Pusat Listrik Tenaga Uap (PLTU), energi primer yang dikonversikan menjadi energi listrik (energi sekunder) adalah bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan dapat berupa batubara (padat), minyak (cair), atau gas.Ada kalanya PLTU menggunakan kombinasi beberapa macam bahan bakar. Berikut tahapan konversi energi pada PLTU batubara: 1. Konversi energi tingkat pertama yang terjadi adalah konversi energi primer dari batubara (energi kimia) menjadi kalor (energi panas). Hal ini dilakukan melalui proses pembakaran dalam ruang bakar dari ketel uap PLTU. 2. Konversi energi tingkat kedua, energi panas kemudian dikonversikan menjadi energi dalam uap (entalpi) di boiler, melalui proses perpindahan panas ke dalam air yang ada dalam pipa ketel untuk menghasilkan uap yang dikumpulkan dalam drum dari ketel. 3. Energi dalam uap (entalpi) pada drum ketel selanjutnya dikonversikan menjadi energi mekanikberupa putaran pada turbin uap.
4.
Terakhir, energi mekanik dari turbin uap dikonversikan menjadi energi listrik pada generator. Secara skematis, proses tersebut di atas digambarkan oleh gambar di bawah ini : FURNACE TURBIN BOILER BUILDING GENERATOR
150 kV TRANSMISSION LINE
ESP
FLY ASH SILO
BOTTOM ASH SILO
MAKE UP DEMINERALIZER COOLING WATER INLET
WWTP
COOLING WATER OUTLET
COAL UNLOADER JETTY
PNEUMATIC FLY ASH TRANSPORT ASH DISPOSAL AREA
COAL YARD
Gambar 1 Alur proses PLTU
III
SISTEM EKSITASI Sistem eksitasi adalah sistem mengalirnya pasokan listrik arus searah sebagai penguatan pada generator listrik, sehingga menghasilkan tenaga listrik dan besar tegangan keluaran bergantung pada besarnya arus eksitasi. Sistem eksitasi pada generator listrik terdiri dari 2 macam, yaitu: 1. Sistem eksitasi dengan sikat(brush excitation) Sistem eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listrik berasal dari sumber listrik yang berasal dari generator arus searah (DC) atau generator arus bolak balik (AC) yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier. Jika menggunakan sumber listrik yang berasal dari generator AC atau menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG) medan magnetnya adalah magnet permanen. Dalam lemari penyearah, tegangan listrik arus bolak balik diubah ataudi searahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol kumparan medan exciter utama (main exciter). Untuk mengalirkan arus eksitasi dari main eksiter ke rotor generator menggunakan slip ring dan sikat arang, demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main exciter. Brush
Lilitan Rotor Lilitan Stator
Rotor Current
Trafo Eksitasi
Rotor Voltage
Static Exciter
Medan Magnet Berputar Brush
Gambar 2 Sistem eksitasi dengan sikat (Brush Excitation) 2
digunakan pada komputer kontrol industri. Dalam kebanyakan proyek, sistem eksitasi ini menggunakan eksitasi sumber tegangan dengan penyearah terkontrol shunt.
2.
Sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus eksitasi ke rotor generator mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan pada sikat arang relatif kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat arang, pada generator pembangkit menggunakan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation). Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation), antara lain adalah: Energi yang diperlukan untuk eksitasi diperoleh dari poros utama (main shaft), sehingga keandalannya tinggi. Biaya perawatan berkurang karena pada sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring. Pada sistemeksitasitanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi kerusakan isolasi karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat arang. Mengurangi kerusakan (trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab semua peralatan ditempatkan pada ruang tertutup. Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga meningkatkan keandalan operasi dapat berlangsung kontinu pada waktu yang lama. Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan bus exciter atau kabel tidak diperlukan lagi. Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel tidak memerlukan pondasi.
Trafo Eksitasi
Start-Up Field Breaker
SCR
Excitation Transformer
AVR Excitation Regulator
Gambar 4 Diagram skematik exciter sumber tegangan menggunakan penyearah terkontrol shunt Dalam sistem eksitasi statis ini (eksitasi shunt atau eksitasi sendiri), tenaga eksitasi diambil dari terminal generator. Arus medan dari mesin sinkron mengalir melalui transformator eksitasi, penyearah tenaga, dan pemutus medan. Transformer eksitasi berfungsi untuk menyesuaikan tegangan generator dengan tegangan masukan yang disyaratkan untuk penyearah tenaga, dan memberikan isolasi elektrik antara terminal mesin dan kumparan medan. Tegangan sekunder transformator eksitasi didesain sedemikian rupasehingga tegangan keluaran konverter sesuai dengan batas tertinggi tegangan DC. Untuk membangkitkan eksitasi, peralatan medan sesaat disuplai dari sumber AC atau suplai medan sesaat DC. Konverter tenaga (SCR), dikontrol oleh AVR, dan disuplai oleh transformator eksitasi yang terhubung ke terminal generator, suplai secara kontinu dan arus eksitasi yang masuk ke medan generator melalui pemutus medan (FCB) besarnya dapat diubah-ubah. 4.2 1.
Penggambaran Fungsi Struktur sistem Sistem eksitasi sebagian besar tersusun oleh lima komponen sebagai berikut: Komponen suplai tenaga eksitasi: transformator eksitasi (TE) Komponen Kontrol: automatic voltage regulator (AVR) Komponen tenaga: penyearah tenaga jembatan(SCR) Komponen medan sesaatdan deeksitasi: lemari pemutus medan (FCB)
Lilitan Stator Rotor Current Rotor Voltage
Static Exciter
Bagian Diam
Rotary Exciter
Medan Magnet Berputar Bagian Berputar
G ~
Bagian Diam
Gambar 3 Sistem eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation)
IV 4.1
Modul GES-3320 PenggambaranUmumGES-3320 GES-3320 merupakan sistem eksitasi generator yang regulator-nya termasuk jenis Integreted Pesonal Computer (IPC) yang banyak 3
Komponen proteksi tegangan lebih: lemari proteksi (PRC) 2. Rangkaian utama Tegangan terminal generator dan daya reaktif diubah oleh arus eksitasi yang disuplai oleh penyearah. AVR mengontrol keluaran penyearah. Transformator eksitasi(TE) Dalam sistem eksitasi tipe GES-3320, TE adalah sumber tenaga eksitasi, dan mengisolasi peralatan eksitasi dari terminal generator secara elektrik. Sisi tegangan tinggi dihubungkan dengan terminal generator dan sisi tegangan rendah dihubungkan dengan sisi AC penyearah. Kapasitas dan rasio transformasi ditentukan menurut karakteristik eksitasi generator. Agar dapat memenuhi operasi generator yang disyaratkan. Penyearah Tenaga (SCR) Penyearah tenaga mengubah suplai tenaga AC yang disalurkan oleh transformator eksitasi ke suplai tenaga DC dan menyalurkannya ke rangkaian medan magnet generator. Sesuai dengan nilai arus medan, beberapa penyearah jembatan beroperasi secara paralel untuk membagi arus medan secara bersama. Ketika suatu lengan tertentu ada gangguan, penyearah jembatandapat menyediakan arus medan yang stabil untuk generator. Parameter generator dan tipe SCR menentukan jumlah jembatanparalel dan arus keluaran tiap jembatan. Secara umum, ketika satu jembatan keluar dari operasi, perlengkapan eksitasi masih dapat memenuhi keluaran nominal generator. Dalam beberapa proyek, ketika satu jembatan keluar dari operasi, perlengkapan eksitasi masih dapat memenuhi gangguan eksitasi generator. Penyearah dikontrol oleh AVR. AVR mengatur keluarannya untuk mngubah arus eksitasi dan dengan demikian mengatur tegangan terminal generator dan daya reaktif generator. Pada penyearah tenaga didalamnya termasuk komponen berikut: Penyearah tenaga jembatan Penguat pulsa dan deteksi Rangkaian proteksi RC Sistem kipas pendingin paksa Modul komunikasi serial Pemantauan dan indikasi Diagram skematik penyearah tenaga ditunjukan sebagai berikut:
QK52 RS51
+ TO FIELD BREAKER
V1
V3
V5
QK51 T51 T52 T53
U V W TO EXITATION SOURCE
V4
V6
V2
Gambar 6 Diagram skematik penyearah terkontrol penuh 3 fase
Elemen V1-V6 adalah SCR. Tidak ada banyak elemen secara seri atau secara paralel agar supaya mengurangi gangguan. Rangkaian proteksi RC yang dihubungkan pada kedua sisi dari tiap SCR dapat menyerap tegangan lebih komutasi dan tegangan puncak. Sebuah fuse kecepatan tinggi dihubungkan dengan tiap SCR secara seri agar seupaya melindungi elemen SCR. Tiga tranduser (T51-T53) ditempatkan pada sisi tenaga AC. Sinyal yang berasal dari tranduser-tranduser ini akan digunakan untuk mendeteksi keadaan konduksi dari SCR. Pemutus rangkaian medan (FCB) FCB terletak antara kumparan medan dan penyearah jembatan. Keluaran DC dari penyearah jembatan mengalir ke kumparan medan generator. Itu merupakan bagian penting rangkaian deeksitasi. Dibawah kondisi genting, itu dapat dipisahkan secara cepat dan mentransfer energi medan ke resistor pelepasan untuk menjamin keamanan generator. 3. Automatic Voltage Regulator (AVR) AVR tipe GES-3320 terletak di bagian dalam lemari pengatur. AVR berfungsi untuk pengaturan sinyal, kontrol dan kalkulasi, dan keluaran sinyal. Komputer menampung semua jenis simulasi dan nilai switching, kemudian menghitung dan melatihsemua jenis simulasi dan nilai switching untuk mengontrol keluaran SCR dan untuk mengatur sistem eksitasi. AVR seri GES-3320 merupakan jenis channe lganda struktur bertingkat. Ada dua set hardware 4
terpisah secara paralel yang dihubungkan satu sama lain dan juga bekerja secara bebas. Dua channel bekerja secara paralel dan menjadi warm standby satu sama lain. Kedua channel dapat mendiagnosis sendiri dan mendiagnosis satu sama lain, menindaklanjuti, berkomunikasi, dan berpindah satu sama lain. 4. Perintah kontrol Bagian ini memperkenalkan perintah kontrol jarak jauh (dari pusat kontrol) sistem eksitasi. a. Ekcitation on Ketika perintah Exc. ONditerima, sistem eksitasi akan berusaha menaikan arus medan secara otomatis, sampai titik yang disyaratkan. Regulator akan melaksanakan langkah berikut secara berurutan: Menghidupkan kipas pendingin dalam lemari penyearah Memancarkan pulsa pemicuan Menghidupkan rangkaian medan sesaat (field flashing) Menaikan secara otomatis tegangan ke titik preset b. Ekcitation off Ketika perintah ekcitation off diterima, regulator akan melaksanakan program pelepasan medan. Pelepasan balik akan digunakan untuk kondisi normal. Pemutus medan ditambah resistor pelepasan akan melepas (membuang) energi yang tersimpan di dalam kumparan medan. c. Operasi pemutus medan Itu termasuk perintah Field Breaker On dan Field Breaker Trip. d. Penyetelan modepengaturan AVR dapat bekerja dalam 4 mode pengaturan: mode tegangan terminal konstan (auto mode), mode arus medan konstan (manual mode), mode daya reaktif konstan, dan mode faktor daya konstan. Keadaan normal (default setting) adalah mode tegangan terminal konstan (auto mode). Secara prinsip, empat mode pengaturan dapat mengalami perubahan selama operasi. Ketika mode regulasi diubah, tegangan terminal dan daya reaktif tidak berfluktuasi dengan jelas. Tapi kasus berikut merupakan perkecualian: Ketika suatu gangguan terjadi dibawah mode tegangan terminal konstan, mode pengaturan akan berubah ke mode arus medan konstan. Sebelum gangguna di-reset, perubahan dari mode arus medan konstan ketiga mode lainnya tidak diperbolehkan.
Ketika generator beroperasi dalam kondisi tidak berbeban, perubahan dari mode tegangan terminal konstan atau mode arus medan konstan ke mode daya reaktif konstan atau mode faktor daya konstan tidak diperbolehkan. Selama pemutus generator utama menutup (on line), perubahan ini tidak diperbolehkan. Catatan: mode arus medan konstan (manual mode) hanya mengatur arus medan, dan dibawah mode ini sebagian besar fungsi pembatas tidak aktif. Oleh karena itu, ketika pengaturan disetel ke mode arus medan konstan (manual mode), operator seharusnya memantau mesin dengan teliti. e. Set point rise/Set point lower Perintah set point riseatau set point lowerdapat menaikan atau menurunkan nilai titik kerja. Dibawah mode tegangan terminal konstan, perintah set point rise atau set point lower akan mengubah nilai titik kerja dari tegangan terminal generator. Dibawah kondisi generator tidak berbeban, operasi ini akan mengubah tegangan terminal. Dibawah kondisi generator berbeban, operasi ini akan mengubah daya reaktif. Ketika suatu fungsi pembatas aktif, perintah set point riseatau set point lower tidak akan efektif. Dibawah mode daya reaktif konstan dan mode faktor daya konstan, perintah set point riseatau set point lower akan mengubah daya reaktif dan faktor daya. Dibawah mode arus medan konstan, perintah set point riseatau set point lower akan mengubah nilai titik kerja arus medan. Dibawah kondisi generator tidak berbeban, operasi ini akan mengubah tegangan terminal. Dibawah kondisi generator berbeban, operasi ini akan mengubah daya reaktif. Catatan:mode arus medan konstan konstan (manual mode) hanya mengatur arus medan, dan dibawah mode ini sebagian besar fungsi pembatas tidak aktif. Itu tidak aman untuk bekerja dibawah manual mode untuk waktu yang lama. Ketika nilai titik kerja mencapai maksimum atau minimum, perintah set point rise atau set point lower tidak akan efektif. V 5.1
PENUTUP Kesimpulan Dari uraian tersebut diatas dapat diambil beberapa kesimpulan diantaranya: 1. Energi eksitasi generator didapat dari poros utama sehingga keandalannya tinggi. 5
2.
3.
4.
5.2
1.
2.
[10]
Saran Sistem eksitasi dapat digantikan dengan menggunakan sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) yang tentunya akan meningkatkan keandalan sistem secara keseluruhan. Pada sistem eksitasi dengan sikat maka perawatan sikat harus menjadi perhatian utama demi menjaga kontinuitas pasokan energi listrik yang stabil.
Heri Irawan Putra kelahiran Bogor, menyelesaikan pendidikan dasar hingga menengah di Bogor. Saat ini sedang menempuh pendidikan di jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro, Semarang pada Bidang Konsenstrasi Teknik Energi Listrik. Penulis dapat dihubungi melalui e-mail :
[email protected]/
[email protected]
[11]
[12]
BIODATA
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2] [3]
[4] [5]
[6] [7]
[8]
[9]
…………….,, “Manual Excitation Maintenance”, Dongfang Electrical Machinery Co.Ltd., 2005. ……………., “Manual Electrical Operation”, Dongfang Electrical Machinery Co.Ltd., 2006. ……………., Manual Excitation Hardware, Dongfang Electrical Machinery Co.Ltd., 2005.
Biaya perawatan sistem eksitasi dengan sikat relatif tinggi karena adanya sikat, komutator dan slip ring. Nilai arus eksitasi harus dijaga agar selalu sesuai dengan arus dasar pada sistem eksitasi sehingga kestabilan sistem secara keseluruhan tetap stabil. Sistem eksitasi yang baik memiliki respon yang cepat manakala terjadi gangguan internal maupun eksternal yang mempengaruhi kinerja generator.
Semarang, Maret 2010
Keman, Ismuranto, Pengenalan Pembangkit Listrik Tenaga Uap Batubara, Surabaya, 2005. Marsudi, Djiteng, Ir., Pembangkitan Energi Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2005. Marsudi, Djiteng, Ir., Operasi Sistem Tenaga Listrik, Penerbita Graha Ilmu, Yogyakarta, 2006. Saadat, Hadi, “Power System Analysis”, Mc Graw Hill Inc, Singapore, 1999. Sulasno, Ir., Dasar Teknik Konservasi Energi Listrik dan Sistem Pengaturan, Badan Penerbit Universitas Diponegoro, Semarang, 2004. www.djlpe.esdm.go.id
Menyetujui, Dosen pembimbing
Ir. Agung Nugroho, M.Kom. NIP. 195901051987031002
………….., Ringkasan Eksekutif Pembangunan PLTU Cilacap 2 x 300 MW, PT. Sumber Segara Primadaya, Jawa Tengah, 2004. ………….., Tutorial Teknik Listrik, Artikel dan Software Teknik, Dunia Listrik, Nopember 2009. ……………., “Manual Excitation Operation”, Dongfang Electrical Machinery Co.Ltd., 2005.
6
