BAB II LANDASAN TEORI

5
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 SIKLUS DAYA UAP
Siklus ideal termodinamika dasar uap ialah siklus Rankine dan proses termodinamika
untuk siklus ini identik dengan siklus Braytone yaitu kompresi isentropic, penambahan
panas isobar dan akhirnya pembuangan panas isobar. Perbedaan antara kedua siklus ini
ialah fluida kerjanya, pada siklus Rankine menggunakan fluida kerja dua fasa (cairan
dan uap) sedangkan siklus Braytone menggunakan gas. Air adalah fluida kerja yang
umum dipakai dalam siklus daya uap. Siklus Rankine untuk system air ditunjukkan
dalam diagram T-S pada gambar 2.1[11].
T
air
3
cairan + uap
uap
cair
2
1
4
S
Gambar 2.1 Siklus mesin kalor uap Rankine[3]
Siklus daya uap yang paling sederhana terdiri atau empat komponen seperti
ditunjukkan pada gambar 2.2 dan satu dari keempat proses termodinamika terjadi di tiap
komponen[3] dan dijelaskan sebagai berikut:
•
Proses 1 – 2 adalah proses adiabatic dapat balik (isentropis) yaitu proses kompresi
yang terjadi di dalam pompa;
6
•
Proses 2 – 3 adalah proses penambahan panas isobaric dapat balik yang terjadi di
dalam ketel (boiler);
•
Proses 3 – 4 adalah proses ekspansi adiabatic yang terjadi di dalam turbin uap;
•
Proses 4 – 1 adalah proses pembuangan panas isobaric dapat balik yang terjadi di
dalam kondensor.
3
turbin
W
4
Qa
kondensor
ketel
Qr
pompa
1
2
Wp
Gambar 2.2 Sistem dan komponen siklus Rankine
2.2 GENERATOR SINKRON
2.2.1 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Generator sinkron adalah tipe generator yang mendominasi di dalam pembangkit listrik.
Generator sinkron dapat membangkitkan daya aktif dan reaktif. Banyaknya putaran
generator sinkron per menit akan menentukan besarnya frekuensi jaringan. Frekuensi
yang digunakan pada sistem kelistrikan di Indonesia adalah 50 Hz yang mana frekuensi
tersebut dihasilkan oleh putaran generator sinkron pada 3000 rpm. Persamaan yang
memperlihatkan hubungan antara frekuensi dan putaran generator sinkron sebagai
berikut
n=
120f
p
(2.1)
7
dimana
n = putaran generator sinkron (rpm)
f = frekuensi (Hz)
p = banyaknya kutub magnet
Operasi
generator
sinkron
didasarkan
pada
hukum
faraday
induksi
elektromagnet. Ada 3 syarat untuk dapat dibangkitkannya ggl (gaya gerak listrik )[4],
yaitu :
a. Harus ada medan magnet,
b. Harus ada hantaran kawat (konduktor),
c. Harus ada perubahan fluksi yang memotong konduktor.
Bagian utama generator sinkron terdiri dari rotor dan stator. Medan magnet
ditempatkan pada bagian yang bergerak (rotor). Medan magnet pada rotor tersebut
disuplai oleh sumber arus searah yang disebut arus eksitasi. Rotor generator diputar oleh
penggerak utama yang bisa berupa turbin uap, turbin gas, ataupun turbin air
(pemakaiannya tergantung pada fluida kerja yang digunakan dalam sistem
pembangkitannya). Pada bagian stator terdapat lilitan kawat (konduktor) yang
ditempatkan pada baja statornya.
Timbulnya ggl (tegangan) pada generator sinkron dikarenakan adanya peubahan
fluksi yang terus menerus yang menginduksikan tegangan pada belitan phasa stator.
Tegangan yang dihasilkan tersebut berupa gelombang sinusoidal yang besarnya
tergantung pada kekuatan medan magnet rotornya. Apabila kutub utara dari rotor
melewati konduktor, maka akan diinduksikan tegangan positif. Sedangkan jika kutub
selatan melewati konduktor, maka tegangan negatip diinduksikan. Perioda gelombang
sinusoidal tegangan akan tergantung pada putaran dan jumlah kutub generator sinkron.
Generator sinkron tiga phasa, bagian statornya memiliki tiga buah belitan kawat
yang dipisahkan satu sama lain sebesar 1200 yang akan menghasilkan perbedaan phasa
diantara tiap tegangan phasanya sebesar 1200.
2.2.2 Tipe-Tipe Generator Sinkron
Berdasarkan kontruksi dari rotornya, generator sinkron dibedakan menjadi dua[12],
yaitu:
a. Generator sinkron tipe silindris.
b. Generator sinkron tipe menonjol.
8
2.2.2.1 Genertor sinkron tipe silindris
Generator sinkron tipe silindris dibuat dengan poros mendatar (horizontal). Biasanya
terdiri atau 2 kutub atau 4 kutub dan diterapkan pada pembangkit listrik yang
menggunakan penggerak utama generator dengan kecepatan tinggi, contohnya pada
PLTU atau PLTG.
Rotor generator sinkron tipe ini dibuat silindris sehingga celah udara pada
permukaan rotor sama tebalnya dimana-mana (uniform). Pada Gambar 2.3 diperlihatkan
suatu generator sinkron tipe silindris.
Kumparan-kumparan penguat medan ditempatkan pada rotor sehingga energi
listrik dapat diinduksikan pada kumparan-kumparan stator. Bagian stator dibuat dari
baja yang mengandung silicon (Si) yang berupa kepingan-kepingan setebal 0,35 – 0,50
mm dan disekat terhadap lainnya. Hal ini dimaksudkan untuk mempertinggi tahanan
listriknya sehingga dapat memperkecil eddy current. Sedangkan bagian rotor terbuat
dari baja elektro yang dituang yang merupakan suatu bahan yang padat dan
mengandung campuran nikel chrom molibdin.
Gambar 2.3 Generator sinkron tipe silindris[5]
2.2.2.2 Generator sinkron tipe menonjol
Generator sinkron tipe menonjol dibuat dengan poros vertikal. Biasanya terdiri atas 6
kutub atau lebih dan diterapkan pada pembangkit listrik yang menggunakan penggerak
utama generator dengan kecepatan rendah dan menengah, contohnya pada PLTA. pada
Gambar 2.4 diperlihatkan potongan melintang generator sinkron tipe menonjol.
9
Inti stator terdiri atas segmen-segmen plat baja silikon yang tebalnya 0,35 –
0,50 mm yang dirapatkan, disusun berlapis-lapis dan diikatkan dengan plat-plat ujung
dengan baut. Setiap 50-60 mm lapisan (lamination) diberi saluran udara selebar ±10
mm. Gulungan stator dari penghantar tembaga diisolasi dengan bentuk pelat dengan
penampang persegi panjang. Gulungan dengan bentuk ini dibalut dengan mika sebagai
isolasinya dibalur dengan damar (resin) atau persenyawaan sintetis.
Untuk bagian rotor dikenal dua macam jalur magnet, yaitu :
a. Bentuk cincin yang dibuat dengan menyusun berlapis-lapis pelat baja berbentuk
cincin, atau memasang baja tempa yang berbentuk cincin tebal langsung pada labalaba (spider) atau pada poros menurut arah aksialnya.
b. Bentuk segmen yang dapat dilepas untuk memudahkan pengangkatan dari mesin
berdaya besar dan berputaran rendah.
Gambar 2.4 Generator sinkron tipe menonjol[5]
2.2.3 Rangkaian Pengganti Generator Sinkron Tipe Silindris
Untuk generator, dapat diturunkan dengan asumsi bahwa phasa arus mengalir keluar
terminal (positif), sehingga persamaan rangkaiannya menjadi
V t = E a – (R a + jX s )I a
(2.2)
Diagram rangkaian pada gambar 2.5 diperlihatkan rangkaian equivalent per
phasa dari generator sinkron tipe silindris.
10
jX s
Ra
Ia
Ea
Vt
Gambar 2.5 Rangkaian pengganti per phasa
generator sinkron tipe silindris[5]
2.2.4 Daya dan Torsi Generator Sinkron Tipe Silindris
Ketika mesin sinkron dioperasikan sebagai generator (gambar 2.6), maka diperlukan
penggerak utama untuk menggerakan generator sinkron. Untuk PLTU (Pusat Listrik
Tenaga Uap) penggerak utama yang digunakan adalah turbin uap. Pada keadaan mantap
(steady state), torsi mekanik dari penggerak utama (turbin uap) seharusnya sama dengan
torsi elektromagnetik yang dihasilkan oleh generator sinkron dan rugi-rugi torsi
mekanis dan belitan yang dinyatakan dalam persamaan :
T pm = T + T loss
(2.3)
jX s
Ra
Ia
Tloss T
PENGGERAK
UTAMA
T pm ω syn
Ea
GENERATOR
Vt
Gambar 2.6 Mesin sinkron beroperasi sebagai generator
Dengan mengalikan kecepatan sinkron (ω syn ) ke dalam dua sisi persamaan di
atas, maka diperoleh :
11
P pm = P em + P loss
(2.4)
dimana P pm =T pm ω syn adalah daya mekanik yang disuplai oleh penggerak utama,
P em =Tω syn adalah daya elektromagnetik generator, dan P loss = T loss ω syn adalah rugi-rugi
daya mekanik dan elektrik dari system. Daya elektromagnetik adalah daya yang
dikonversi ke dalam daya listrik di dalam belitan stator phasa tiga.
P em = T ω syn = 3 E a I a cos φ EaIa
(2.5)
dimana φ EaIa adalah sudut antara phasor E a dan I a .
Untuk generator sinkron dengan kapasitas besar, resistansi belitan (resistansi
armature) umumnya jauh lebih kecil daripada reaktansi sinkron, sehingga resistansi
armature (R a ) dapat diabaikan. Persamaan rangkain equivalent per phasa generator
sinkron seperti dinyatakan oleh persamaan (2.2) adalah
V t = E a – (R a + jX s )I a
(2.6)
Diagram phasor untuk generator sinkron adalah seperti yang diperlihatkan oleh gambar
2.7.
Ea
jX s I a
δ
ϕ
Vt
Ia
Gambar 2.7 Diagram phasor generator sinkron
dimana cos φ merupakan factor daya dan δ adalah sudut beban (load angle) antara
tegangan E a dan V t . Berdasarkan pada diagram phasor, diperoleh :
E a sin δ = X s I a cos φ
E a cos δ – V t = X s I a sin φ
(2.7)
(2.7)
Jika resistansi armature diabaikan, output daya listrik (P out ) sama dengan daya
elektromagnetik, atau :
P em = P out = 3 V t I a cos φ
(2.8)
12
Sedangkan daya reaktifnya adalah
Q out = 3 V t I a sin φ
(2.9)
Dengan demikian diperoleh persamaan daya akatif dan reaktif [2] sebagai
berikut
3E aVt
sin δ
Xs
(2.10)
3E aVt
3V 2
cos δ − t
Xs
Xs
(2.11)
Pem = Pout =
Qout =
Dengan persamaan (2.16), torsi elektromagnetik [9] dapat ditulis sebagai berikut :
T=
Pem
3E aVt
=
sin δ
ω syn ω syn X s
(2.12)
Ketika resistansi belitan stator (resistansi armature) diabaikan, δ dapat juga
dianggap sebagai sudut antara rotor dan stator rotating magnetic field. Torsi
elektromagnetik dari mesin sinkron proposional terhadap fungsi sinus dari load angle
(sudut beban), seperti diperlihatkan pada gambar 2.8.
T
g
GENERATOR
− 180o
− 90o
0
90o
180o
δ
MOTOR
m
Gambar 2.8 Torsi elektromagnetik vs load angle
2.3 TURBIN UAP
Turbin adalah pesawat yang mengubah energi mekanis yang tersimpan dalam fluida
kerja menjadi energi mekanis rotasional. Hampir semua turbin adalah mesin aliran
aksial. Ada dua jenis dasar sudu turbin yang digunakan dalam turbin uap, yaitu sudu
13
impuls dan sudu reaksi. Pada gambar 2.9 ditunjukan baris sudu tetap dan sudu gerak
sebuah turbin.
g
sudu
gerak
sudu
tetap
sudu
gerak
nosel
sudu
tetap
Gambar 2.9 Baris sudu-sudu turbin[6]
Turbin impuls adalah turbin dimana proses ekspansi (penurunan tekanan) dari
fluida kerja hanya terjadi di dalam baris sudu tetap saja. Sedangkan turbin reaksi (turbin
parsons) adalah turbin dimana proses ekspansi dari fluida kerja terjadi baik di dalam
sudu tetap maupun sudu gerak.
Efisiensi turbin uap berkisar antara 30 sampai 50 persen untuk unit daya rendah,
dan 80 sampai 90 persen untuk unit daya tinggi. Prestasi turbin uap biasanya juga
diukur dengan pemakaian uap spesifiknya, yaitu jumlah uap per jam untuk setiap daya
kuda yang dihasilkan [6] dan dinyatakan dalam.
kg uap
jam . daya poros
Daya yang dihasilkan turbin (N)[6] adalah
.
N = J G( hti − hte )
(2.13)
14
atau berdasarkan pada panas yang digunakan (heat used)[1] dengan persamaan
N = Heat used = Heat in – Heat out
(2.14)
dimana J adalah faktor pengubah satuan, G adalah berat fluida kerja yang mengalir
melalui sudu-sudu per satuan waktu, h ti adalah entalpi masuk turbin, dan h te adalah
entalpi keluar turbin.
Berdasarkan pada persamaan (2.14), maka daya turbin dapat diatur dengan
mengatur jumlah uap masuk G dan atau selisih entalpi masuk turbin dan keluar turbin
(h ti – h te ).
2.4 SISTEM PENGATURAN
Pada turbin dan generator di dalam sistem pembangkit listrik terdapat sistem pengaturan
kecepatan (rpm) dan tegangan. Pada gambar 2.10 ditununjukan skematika diagram
sistem pengaturan turbin dan generator. Pengaturan kecepatan poros turbin dilakukan
oleh governor dan pengatur tegangan terminal generator dilakukan
oleh AVR
(Automatic Voltage Regulator).
Turbin uap dijalankan dan diberhentikan berturut-turut dengan membuka dan
menutup rapat katup penutup uap (main stop valve/throttle valve). Sedangkan
pengaturan jumlah uap masuk nosel turbin dilaksanakan dengan mengatur pembukaan
katup pemasukan uap. Besarnya pembukaan katup pemasukan uap dikendalikan oleh
alat yang disebut
governor. Governor pengatur kecepaan diperlukan untuk
mempertahankan kecepatan poros supaya konstan. Governor pengatur kecepatan
merupakan pengendali proposional yang membandingkan kecepatan aktual turbin
dengan set-point pada saat tidak berbeban. Ketika generator berbeban (operasi paralel
dengan jaringan), maka fungsi dari governor adalah sebagai pengatur beban yang akan
mengatur keperluan uap yang sebanding dengan beban yang dibangkitkan generator.
15
sistem
eksitasi
sistem AVR
If
ωs
inlet uap
turbin
G
ke
beban
sistem
governor
Gambar 2.10 Sistem pengaturan turbin dan generator
Pada gambar 2.11 di bawah memperlihatkan prinsip dasar pengaturan governor
hidrolik sederhana. Prinsip pengaturan dari governor ini adalah ketika putaran poros
turbin uap naik di atas putaran normal, maka lever akan menggerakkan spool menuju ke
atas. Dengan bergeraknya spool ke atas, oli bertekan tinggi akan mengalir pada bagian
atas piston sehingga
menggerakkan servomotor ke bawah yang berarti aliran uap
menuju turbin akan berkurang. Dengan demikian putaran turbin dijaga konstan. Prinsip
kerja sama pada saat putaran poros turbin uap turun dari putaran operasi normalnya,
tetapi hasil dari pengaturanya mengakibatkan servomotor bergerak ke atas yang berarti
akan menambah aliaran uap masuk turbin.
16
pendulum
lever
servomotor
spool
oli kembali
pressure oil
oli kembali
inlet uap
TURBIN UAP
GENERATOR
Gambar 2.11 Governor hidrolik sederhana[5]
Disamping kecepatan poros turbin yang diatur, tegangan terminal generator juga
dilakukan pengaturan untuk menghasilkan tegangan yang konstan sebagai fungsi dari
beban generator. Pengaturannya dilakukan oleh rangkaian penguat medan (exciter) yang
akan menghasilkan arus eksitasi. Pada prinsipnya pengaturan tegangan generator yaitu
dengan mengatur arus eksitasi yang besarnya tergantung pada perubahan yang terjadi
pada tegangan terminal generator. Ada atau tidak adanya perubahan yang terjadi pada
tegangan terminal generator dihasilkan oleh rangkaian pembanding berdasarkan pada
deteksi sensor tegangan yang kemudian membandingkannya dengan tegangan referensi.
Ditinjau dari sistem suplai dayanya, exciter dibedakan menjadi dua, yaitu eksitasi
generator arus searah dan eksitasi statis.
Pada rangkaian eksitasi generator arus searah, untuk mendapatkan arus penguat
medan searah, digunakan generator arus searah dengan magnet permanen. Sedangkan
pada eksitasi statis (tipe brush atau brushless), arus searah diperoleh dari penyearahan
arus bolak balik dengan dioda (non controlled rectifier) ataupun dengan penyearah
thyristor (controlled rectifier). Pada gambar 2.12 diperlihatkan skematika diagram
sistem eksitasi AVR tanpa sikat (sistem eksitasi statis).
17
G
8
9
2
1
G
G
7
3
6
4
5
AMPLIFIER
Keterangan :
1 Pilot exciter
2 Main exciter
3 Penguat daya SCR
4 Trafo stabilisator
_
+
V referensi
5 Penguat error
6,9 Penyearah
7 Trafo tegangan
8 Generator sinkron
Gambar 2.12 Sistem eksitasi AVR tanpa sikat[4]