Sinkronisasi Generator Sinkron dengan Jaringan PLN

Faizal Hermawan

faizalhermawan177@gmail.com

Dosen Pembimbing : Djodi Antono.B,Tech Jurusan Teknik Elektro Polines

Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang INDONESIA

IntisariSinkronisasi adalah suatu cara untuk menghubungkan dua sumber atau beban Arus Bolak-Balik (AC). Adapun tujuan dari sinkronisasi adalah untuk mendapatkan daya yang lebih besar.Singkronisasi generator singkron dengan jaringan PLN ini dimaksudkan atau ditunjukkan untuk pihak tertentu yang ingin menjual daya listrik ke masyarakat,tentu saja hal itu perlu persetujuan dari PLN,sehingga hanya pihak tertentu saja yang diperbolehkan untuk mensinkronkan jaringan generatornya dengan PLN.Ada 3 hal yang perlu diperhatikan saat kita mensingkronkan generator dengan jaringan PLN yaitu tegangan,beda phase,dan frekuensi.

Keywords— Sinkronisasi, generator tiga fasa, jaringan PLN.

I. PENDAHULUAN

Pada zaman modern sekarang ini,banyak alat-alat,baik itu di rumah,sekolah,gedung pertokoan sampai industri yang tidak memakai alat listrik.Untuk memenuhi kebutuhan akan banyaknya listrik yang dipakai di tempat tempat yang membutuhkan listrik tersebut,diciptakanlah alat yang disebut generator.Generator merupakan alat yang mengubah energi gerak mekanik,menjadi energi listrik.Generator merupakan alat yang prinsip kerjanya berkebalikan dengan motor listrik,Apabila motor listrik mengubah daya listrik menjadi mekanik,maka generator bekerja sebaliknya.Fenomena mesin listrik tersebut telah diteliti oleh Faraday.Beliau menemukan fenomena bahwa listrik dapat memutar kumparan magnet,begitu pula sebaliknya,magnet yang berputar dapat menghasilkan gaya gerak listrik..

Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul.Saat magnet di dekatkan galvanometer bereaksi..Mulai saat itu faraday mencoba membuat sistem yang kita kenal sebagai generator.Dari zaman dahulu sejak diciptakannya generator sampai sekarang.Bentuk,sitem kerja generator tidak berubah.

Prinsip kerja dari generator itu sendiri adalah pengubahan dari gaya mekanik diubah ke gaya gerak listrik.Untuk memutar suatu generator diperlukan energi mekanik seperti air,angin,uap dan sebagainya.Energi ini dimaksudkan untuk memutar turbin,untuk kemudian menghasilkan gaya gerak

listrik yang kemudian dikeluarkan ke magnet exciter.Hasil keluaran dari exciter ini berbeda beda sesuai dengan sistem yang digunakan.Sistem yang kita gunakan ini disebut dengan sistem eksitasi.Untuk mempelajari sistem eksitasi sangat penting,hal ini diperlukan untuk menjaga kestabilan daya keluaran dan daya reaktif dari suatu generator.

Makalah ini dibuat dengan tujuan:1. Untuk mengetahui bagian bagian generator,prinsip

kerja generator sinkron tiga fasa.2. Untuk mengetahui indikator sinkronisasi generator

sinkron dengan jala jala PLN 3. Untuk mengetahui cara melakukan

sinkronisasi,dan jenis sinkronisasi .Dalam makalah ini,penulis akan membahas tentang

Generator sinkron 3 fasa,indikator sinkronisasi generator dengan jaringan PLN,dan cara

Akhirnya,penulis menyadari bahwa dalam pembuatan makalah ini,masih terdapat banyak kekurangan,oleh karena itu,bila ada kesalahan,penulis memohon maaf kepada para pembaca.

II. PEMBAHASAN

Generator sinkron merupakan salah satu mesin listrik yang prinsip kerjanya sama dengan motor singkron.Hanya saja jika motor singkron megubah daya listrik menjadi energi mekanik,maka generator mengubah energi mekanik ke daya listrik.

Di dalam makalah ini,yang akan dijelaskan secara spesifik adalah generator sinkron,bagian generator sinkron,prinsip kerja generator sinkron,generator sinkron tiga fasa,beserta sistem dan cara mensinkronkan generator sinkron dengan jaringan PLN.

A. Generator sinkron

Generator arus bolak – balik sering disebut juga sebagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron.Generator mengubah gerak mekanik menjadi daya listrik, Energi mekanis diperoleh dari putaran rotor yang digerakkan oleh penggerak mula (prime mover),sedangkan energi listrik diperoleh dari proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada kumparan stator dan rotornya Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub - kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama

dengan medan putar pada stator. Mesin ini tidak dapat dijalankan sendiri karena kutub - kutub rotor tidak dapat tiba - tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala- jala.Menurut arus keluaran yang dihasilkan generator sinkron dapat dibagi menjadi:

1. Generator sinkron arus satu fasa2. Generator sinkron arus tiga fasa

Generator sinkron dengan definisi sinkronnya, mempunyai makna bahwa frekuensi listrik yang dihasilkannya sinkron dengan putaran mekanis generator tersebut. Rotor generator sinkron yang diputar dengan penggerak mula (prime mover) yang terdiri dari belitan medan dengan suplai arus searah akan menghasilkan medan magnet putar dengan kecepatan dan arah putar yang sama dengan putaran rotor tersebut. Hubungan antara medan magnet pada mesin dengan frekuensi listrik pada stator ditunjukan oleh persamaan di bawah ini:

Dimana f = Frekuensi (Hz)ns = kecepatan medan magnet (rpm) kecepatan putar rotor (rpm)p = Jumlah kutub

Dua jenis generator sinkron dapat kita gambarkan seperti di bawah ini:

Gambar. 1.1 Generator sinkron 1 fasa dua kutub

Gambar. 1.2 Generator sinkron 3 fasa dua kutub

A.1.Bagian bagian generator sinkronSecara umum generator sinkron terdiri atas stator, rotor,

dan celah udara.Stator merupakan bagian dari generator sinkron yang diam sedangkan rotor adalah bagian yang berputar dimana diletakkan kumparan medan yang disuplai oleh arus searah dari Eksiter. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor.

1) StatorStator atau armatur adalah bagian generator

yang berfungsi sebagai tempat untuk menerima induksi magnet dari rotor. Arus AC yang menuju ke beban disalurkan melalui armatur, komponen ini berbentuk sebuah rangka silinder dengan lilitan kawat konduktor yang sangat banyak. Armatur selalu diam (tidak bergerak). Oleh karena itu, komponen ini juga disebut dengan stator. Lilitan armatur generator dalam wye dan titik netral

dihubungkan ke tanah. Lilitan dalam wye dipilih karena:

1. Meningkatkan daya output.2. Menghindari tegangan harmonik, sehingga tegangan line tetap sinusoidal dalam kondisi

beban apapun. Karena hubungan delta tertutup, sehingga membuat sirkulasi arus harmonik ketiga yang meningkatkan rugi-rugi.

Stator dari mesin sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permeabilitas dan resistivitas dari bahan tinggi.

Gambar. 2 Inti Stator dan Alur pada Stator

Ada dua tipe stator yang biasa digunakan pada generator sinkron,dua stator itu adalah :

a) Belitan satu lapis (Single Layer Winding).

Gambar. 2.1.Stator belitan satu lapis

Disebut belitan satu lapis karena pada masing masing alurnya hanya memiliki 1 lilitan.Apabila alur/belitan fasa dimulai dari Sa,Sb,Sc,dan berakhir pada Fa,Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan phasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus ggl penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus ggl penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis dan sudut listrik,adalah:

Dimana: α lis = Sudut listrikP = Jumlah kutubα mek=sudut mekanis

b) Belitan dua lapis (Double Layer Winding)

Gambar. 2.2.Stator belitan dua lapis

Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 2.1 hanya mempunyai satu lilitan per kutub per phasa, akibatnya masing – masing kumparan hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing – masing tegangan phasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per phasa.

2) Rotor (magnetic field).Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan

magnet yang kemudian tegangan dihasilkan dan akan diinduksikan ke stator. Generator sinkron memiliki dua tipe rotor, yaitu :

1.) Rotor berbentuk kutub sepatu (salient pole)

Gambar. 3.1.Rotor Salient pole

Gambar. 3.2..Bentuk penampang Rotor salient pole

Beberapa karakteristik yang dapat kita temui di rotor salient pole adalah sebagai berikut: salient pole rotor digerakkan oleh turbin hidrolik

kecepatan rendah. Sebagian besar turbin hidraulic harus berputar

pada kecepatan rendah (50 – 300 rpm). Salient pole rotor dihubungkan langsung ke roda

kincir dan frekuensi yang diinginkan 60 Hz. Jumlah kutub yang dibutuhkan di rotor jenis ini

sangat banyak. Sehingga dibutuhkan diameter yang besar untuk memuat kutub yang sangat banyak tersebut.

Apabila salient pole diputar memakai kecepatan tinggi,akan menimbulkan suara bising,selain itu

konstruksi kutub yang menonjol tidak cukup kuat untuk menahan tekanan mekanis apabila diputar dengan kecepatan tinggi .Sehingga untuk rotor salient pole tidak dapat diputar memakai kecepatan tinggi.

Bentuk dari rotor salient pole ini dapat kita temukan pada generator diesel.

2.) Rotor berbentuk kutub dengan celah udara sama rata (cylindrical).

Gambar. 4.1.. Rotor Silinder

Gambar. 4.2.Bentuk penampang Rotor Silinder

Karateristik yang dapat kita temui pada rotor silinder adalah sebagai berikut:

Cylindrical rotor digerakkan oleh turbin uap berkecepatan tinggi.

Cylindrical rotor lebih kecil dan efisien daripada turbin kecepatan rendah, . Untuk 2 kutub, frekuensi 60 Hz, putarannya 3600 rpm. Untuk 4 kutub, putarannya 1800 rpm.

Rotor silinder dapat dikatakan dapat berputar dengan kecepatan tinggi,hal ini dikarenakan Konstruksinya memiliki kekuatan mekanik yang baik pada kecepatan putar tinggi,dan Distribusi di sekeliling rotor mendekati bentuk gelombang sinus sehingga lebih baik dari salient pole.

Rotor jenis ini sering kita temui pada pembangkit listrik tenaga uap.Generator yang memakai rotor jenis ini biasa disebut turbo generator.

Bentuk konstruksi generator kutup silindris diperlihatkan pada gambar di bawah ini :

Gambar. 4.3.. Rotor Silinder dengan pemasukan arus medan

Rotor dari suatu generator memiliki komponen sebagai berikut:

1. Slip Ring (cincin geser)2. Kumparan Rotor (kumparan medan)

Kumparan medan merupakan unsur yang memegang peranan utama dalam menghasilkan medan magnet.

3. Poros RotorPoros rotor merupakan tempat meletakkan kumparan medan.

A.2.Prinsip kerja generator sinkronJika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit

kumparan medan magnet yang terletak di antara kutub magnet utara dan selatan diputar oleh prime mover, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnet atau fluks yang bersifat bolak – balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memotong kumparan stator sehingga pada ujung kumparan stator timbul gaya gerak listrik karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik (ggl) yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak – balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor.

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:

Dimana f= frekuensi listrik (Hz)n= kecepatan putar rotor (rpm)p= jumlah kutub magnet

P = = jumlah pasang kutub

Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan..

B. Sistem dan cara mensinkronkan generator dengan jaringan PLN.

Bila unit generator digunakan sebagai sumber tenaga listrik untuk melayani kebutuhan tenaga listrik, biasanya sering digunakan dua atau lebih unit generator yang bekerja pararel. Hal ini selain bertujuan untuk memperbesar kapasitas daya, juga dimaksudkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan, bila ada salah satu unit generator harus direparasi atau

diistirahatkan. Kerja paralel unit pembangkit listrik dapat dilakukan antara unit genset dengan jala-jala PLN, antara unit genset dengan unit genset (dua unit genset), dan paralel lebih dari dua unit genset.Syarat syarat dasar dari sinkronisasi generator adalah sebagai

berikut :1. Mempunyai tegangan kerja yang sama.

Hal ini memiliki maksud,bila tegangan generator yang dimasukkan ke jaringan PLN tidak sama,maka akan berakibat pada beban,contoh lampu meredup karena kekurangan tegangan.Untuk menyamakan tegangan generator dan PLN maka dibutuhkan 2 voltmeter.

2. Mempunyai urutan phase yang samaUrutan phase adalah arah putaran dari ketiga phase. Arah urutan ini dalam dunia industri dikenal dengan nama CW (clock wise) yang artinya searah jarum jam dan CCW (counter clock wise ) yang artinya berlawanan dengan jarum jam. Hal ini dapat diukur dengan alat phase sequence.

3. Mempunyai frekuensi kerja yang sama.Frekuensi kerja sama,berkisar 50Hz.

4. Mempunyai sudut phase yang samaMempunyai sudut phase yang sama bisa diartikan , kedua phase dari generator dan PLN mempunyai sudut phase yang berhimpit sama atau 0 derajat

B.1.Sinkronisasi Synchronizing generator adalah memparalelkan kerja dua buah generator atau lebih untuk mendapatkan daya sebesar jumlah generator tersebut dengan syarat syarat yang telah ditentukan.Ada 2 jenis sinkronisasi:

1. Sinkronisasi maju(forward synchronization)Yaitu proses sinkronisasi generator kedalam sistem atau busbar.

2. Reverse Synchronization (sinkronisasi terbalik)biasanya terjadi pada sistem tenaga listrik disuatu pabrik, dimana suatu jaringan suplai akan digabungkan kedalam suatu jaringan sistem atau busbar yang ada. Pada kondisi ini tidak dimungkinkan untuk mengatur parameter sinkron pada sisi incoming (jaringan yang akan disinkronkan), yang terpenting CB (PMT) dari beban-beban pada jaringan suplai (grid supply) dalam keadaan terbuka.

III. RANGKAIAN SINKRONISASI GENERATOR DENGAN JARINGAN PLN

Gambar. 4.4.. Rangkaian 1 line sinkronisasi generator

Gambar. 4.5.. Rangkaian Sinkronisasi generator dengan jaringan PLN

Gambar. 4.6.. Lay Out Rangkaian Sinkronisasi generator dengan jaringan PLN

IV. PROSEDUR PERCOBAAN

Sebelum melakukan sinkronisasi,alat yang diperlukan adalah 2 buah voltmeter,2 buah frekuensi meter,phase sequence,synchroscope.Namun dalam hal ini kita menggunakan power simulation sistem de Lorenzo,sehingga synchroscope diganti dengan lampu indikator.Prosedur percobaan nya:

1. Rangkai rangkaian sesuai dengan gambar 4.5 pada de Lorenzo.

2. Cek urutan phase sambungan PLN dengan menggunakan Phase Sequence,nyalakan sumber dari PLN dan lihat pada phase sequency,ingat arahnya.

3. Cek tegangan dan frekuensi jeringan PLN.4. Pindahkan sambungan phase sequence pada mesin

sinkron.5. Nyalakan sumber penggerak motor dc,atur sampai

voltase masuk ke motor sebesar 204 V atau sampai kecepatan motor sebesar 3000 rpm.

6. Aktifkan eksitasi generator,atur sampai tegangan generator sama dengan PLN,biasanya eksitasi diberikan sebesar 30%.

7. Cek frekuensinya,jika belum sama dengan frekuensi dari PLN,atur dengan menambah

kecepatan generator,melalui menambahkan arus pada motor dc.

8. Jika frekuensi,tegangan sudah sama,chek phase sequency,jika arah sudah sama,maka tunggu lampu indikator sampai hijau.

9. Jika lampu pada synchroscope sudah hijau,tekan push button hijau,jika indikator hijau telah menyala maka generator telah sinkron dengan jaringan PLN.

V. PENUTUP

1. KesimpulanDari ulasan di atas dapat disimpulkan bahwa:

1. Generator sinkron merupakan mesin listrik yang bekerja dengan mengubah energi mekanik menjadi daya listrik.

2. Bagian bagian atau komponen dari suatu generator meliputi :

Rumah stator (Rumah bagi bagian bagian generator yang lain)

Stator (bagian generator yang diam) Rotor (bagian generator yang

bergerak,bertugas memberi induksi pada stator)

Slip ring (dipasang pada poros yang dilapisi isolasi,berputar bersama poros dan rotor)

3. Prinsip kerja generator: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. Medan putar yang dihasilkan pada rotor,akan diinduksikan pada kumparan jangkar sehingga dihasilkan fluks magnetik. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan.

4. Untuk generator sinkron tiga phasa, digunakan tiga kumparan jangkar yang ditempatkan di stator yang disusun dalam bentuk tertentu, sehingga susunan kumparan jangkar akan membangkitkan tegangan induksi pada ketiga kumparan jangkar yang besarnya sama tapi berbeda fasa 1200 satu sama lain. Setelah itu ketiga terminal

kumparan jangkar siap dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik.

4. Sistem sinkronisasi generator dengan jaringan PLN :Ada 2 jenis sinkronisasi:1. Sinkronisasi maju(forward synchronization)

Yaitu proses sinkronisasi generator kedalam sistem atau busbar.

2. Reverse Synchronization (sinkronisasi terbalik)Biasanya terjadi pada sistem tenaga listrik disuatu pabrik, dimana suatu jaringan suplai akan digabungkan kedalam suatu jaringan sistem atau busbar yang ada.

Indikator untuk melakukan sinkronisasi beserta alat alatnya adalah sebagai berikut:

1. 2 voltmeter,alat ini diperlukan karena untuk sinkronisasi,tegangan kerja antara generator dan jaringan PLN harus sama.

2. 2 frekuensimeter,diperlukan karena frekuensi jaringan PLN dan frekuensi yang dihasilkan generator harus sama.

3. Phase sequency,diperlukan untuk mengecek urutan phase pada jaringan PLN dan generator.

4. Synchroscope,atau lampu indikator dipakai untuk cek beda phase,bila beda phase tidak sama,maka akan timbul suara saat mensinkronkan generator dengan jaringan PLN.

.2. Saran

1. Jangan tergesa gesa saat melakukan percobaan.

2. Hati hatilah saat melakukan percobaan,bila salah sedikit saja dapat menyebabkan kecelakaan kerja.

3. Jangan pernah mensinkronkan generator dan jaringan PLN apabila phase sequency menunjukkan arah tidak sama,karena dapat menimbulkan ledakan.

REFERENSI

[1] Marsudi, Djiteng. 2005.Pembangkitan Energi Listrik. Jakarta: Erlangga..

[2] Marsudi, Djiteng, Ir., Operasi Sistem Tenaga Listrik, Penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta, 2006.S.

[3] http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/06/sistem-eksitasi.html , diakses 15 November 2013.

[4] Pudjanarsa, Astu dan Djati Nursuhud. 2006.Mesin Konversi Energi. Yogyakarta :Andi.

[5] Saadat, Hadi, “Power System Analysis”, Mc Graw Hill Inc, Singapore, 1999.