BAB III TINJAUAN PUSTAKA 3.1. Generator 3.1.1. Pengertian Generator Generator listrik merupakan alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melalui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apapun sumber energi mekanik yang lain. 3.1.2. Macam-Macam Generator Pada gambar dibawah ini, dapat dilihat pembagian macam-macam generator. Generator sinkron Generator AC Generator asinkron Generator Generator DC Generator penguat terpisah Generator sinkron Generator penguat sendiri Generator sinkron

Generator sinkron

Gambar 3.1 Jenis-jenis generator.

Generator AC yaitu generator yang menghasilkan tegangan output bolakbalik (sinusoida). Sedangkan generator DC yaitu generator yang menghasilkan tegangan output searah. Perbedaan mendasar pada generator

11

AC atau DC ini terletak pada ada tidaknya komutator. Jika generator AC memakai slip ring dan jika generator memakai cincin belah (komutator). Generator AC ini dibedakan menjadi generator sinkron dan asinkron. Generator sinkron bekerja pada kecepatan dan frekuensi yang konstan dibawah kondisi steady state. Sedangkan generator asinkron, pada rotornya diputar dengan kecepatan nominalnya dan kumparan medannya dicatu oleh jala-jala listrik PLN. Oleh karena itu terdapat selisih putaran medan dan putaran rotornya. Generator DC penguat terpisah adalah generator yang kumparan jangkar (membangkitkan GGL) dan medannya (membangkitkan fluksi) terpisah satu sama lainnya. Kedua kumparan tersebut tidak terhubung secara elektrik. Sedangkan generator penguatan sendiri, kedua kumparan tersebut terangkai menjadi satu baik terhubung secara seri, paralel (shunt), maupun penggabungan dari keduanya (kompound). Kombinasi dari dari penggabungan kumparan medan seri dan shunt juga akan menentukan jenis generator tersebut apakah merupakan kompound panjang bantu/ lawan maupun kompound pendek bantu/ lawan. Yang dimaksud bantu adalah fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan seri searah dengan fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan shunt. Masing-masing jenis generator di atas memiliki konstruksi dan karakteristik yang berbeda. Selain itu, pemilihan jenis generator tersebut disesuaikan dengan kebutuhan yang akan digunakan. Berdasarkan sistem pembangkitannya, generator khususnya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu : 1. Generator 1 fasa Generator yang dimana dalam sistem melilitnya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis dan dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan. Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U. 12

2. Generator 3 fasa Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya ada lilitan fasa yang ke satu ujungnya diberi tanda U X; lilitan fasa yang ke dua ujungnya diberi tanda dengan huruf V Y dan akhirnya ujung lilitan fasa yang ke tiga diberi tanda dengan huruf W Z. 3.1.3. Konstruksi Generator Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu: 1. Kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi). 2. Sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bolak-balik. Konstruksi generator ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu :1. Stator, yaitu bagian diam (statis). 2. Rotor, yaitu bagian bergerak/ berputar yang diputar oleh suatu

sumber energi mekanik. Berdasarkan letak kedudukan kumparan medan dan jangkar generator pada stator maupun rotornya, maka generator dapat dibedakan menjadi 2, yaitu: 1. Generator kutub dalam Kumparan jangkar yang menghasilkan GGL terdapat pada stator generator. Sedangkan kumparan medan yang menghasilkan fluksi terletak pada rotor generator. Dengan kata lain medan magnet yang memotong sebuah kumparan. Keuntungan menggunakan sistem belitan armature (kumparan jangkar) stasioner ini adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban. 2. Generator kutub luar

13

Kumparan jangkar yang menghasilkan GGL terdapat pada rotor generator. Sedangkan kumparan medan yang menghasilkan fluksi terletak pada stator generator. Dengan kata lain kumparan yang memotong medan magnet. Armature (kumparan jangkar) yang bergerak ini dapat dijumpai pada alternator (generator) untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar. Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dari armature ke beban. 3.1.3.1. Stator Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapislapis untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi. Selain itu, terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator.

Gambar 3.2 Inti stator dan alur pada stator. 3.1.3.2. Rotor Rotor merupakan bagian generator yang berputar. Di dalamnya terdapat suatu kumparan baik kumparan medan maupun kumparan jangkar, tergantung pada jenis generator tersebut apakah kutub luar atau kutub

14

dalam. Jenis rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin yang digunakan. Mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder (Gambar 4a.). Konstruksi silinder penting dalam mesin kepesatan tinggi karena tipe kutub sepatu sukar dibuat untuk menahan tekanan pada kepesatan tinggi. Lebih lanjut, rotor kutub sepatu mempunyai rugi angin yang tinggi pada kepesatan yang tinggi. Pada umumnya generator sinkron dengan konstruksi rotor silinder digerakkan oleh turbin uap atau gas. Sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol (Gambar 4b.). Keping kutub yang dilaminasi dengan kumparan medannya dipasang pada bingkai dari besi, yang terpasok pada poros.

Gambar 3.3a. Bentuk rotor kutub silinder.

15

Gambar 3.3b Bentuk rotor kutub menonjol. 3.1.4. Prinsip Kerja Generator Prinsip dasar generator menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik. Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara : 1. Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik (AC). 2. Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC. Proses pembangkitan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada gambar 5 dan gambar 6.

Gambar 3.4 Pembangkitan tegangan induksi.

16

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti gambar 5. (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada gambar 5. (b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.

Gambar 3.5. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator. Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan gambar 6. (1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoida. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin gambar 6. (2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif. 3.1.5. Generator Sinkron 3.1.5.1. Konstruksi Generator Sinkron Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron (generator) yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik. 17

Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem brushless excitation. 3.1.5.2. Prinsip Kerja Generator Sinkron Pada generator sinkron kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan berbanding lurus. Gambar 7 akan memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a.

Gambar 7. Diagram generator AC satu fasa dua kutub. Lilitan seperti disebutkan diatas disebut Lilitan terpusat, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut Lilitan terdistribusi. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fluks medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).

18

Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:

Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masingmasing terpisah sebesar 120 listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a a, b b dan c c pada gambar 6. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat : A = m. Sin t B = m. Sin ( t 120 ) C = m. Sin ( t 240 )

19

Gambar 8. Diagram generator AC tiga fasa dua kutub. Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut adalah: T = A +B + C, yang merupakan fungsi tempat () dan waktu (t), maka besar- besarnya fluks total adalah: T = m.Sin t + m.Sin(t 120) + m. Sin(t 240). Cos ( 240) Dengan memakai transformasi trigonometri dari : Sin . Cos = .Sin ( + ) + Sin ( + ) maka dari persamaan diatas diperoleh : T = .m. Sin (t + )+ .m. Sin (t ) + .m. Sin ( t + 240 )+ .m. Sin (t ) +.m. Sin (t + 480) Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat fluksi total sebesar: T = m. Sin ( t - ) Weber

20

Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 dengan sudut putar sebesar . Maka besarnya tegangan masing-masing fasa adalah : E maks = Bm. . r Volt dimana : Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla) r = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (m) = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s) = jari-jari dari jangkar (m)

Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan Pilot Exciter sebagai penguatan atau menggunakan magnet permanent (magnet tetap).

21

Gambar 9. Generator sinkron tiga fasa dengan penguatan generator DC Pilot Exciter.

22

Gambar 10. Generator sinkron tiga fasa dengan sistem penguatan Brushless Exciter Sistem. Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan Diode silikon dan Thyristor. Ada dua tipe sistem penguatan Solid state, yaitu: a. Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui Slipring.b. Brushless Sistem, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang

berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slipring.

3.2 Turbin 3.2.1 Pengertian Turbin

23

Turbin termasuk alat mekanik. Turbin dengan bantuan sabuk pemutar memutar Generator (dinamo besar penghasil listrik) untuk mengubah tenaga putar/ gerak menjadi listrik. Generator termasuk alat mekanik. Turbin

berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin dapat berputar. Perputaran turbin ini dihubungkan ke generator.Turbin terdiri dari berbagai jenis, contohnya turbin Francis, Kaplan, Pelton dan lain-lain. 3.2.2 Menentukan Penggunaan TurbinUntuk menentukan jenis turbin yang sesuai untuk tinggi jatuh tertentu digunakan parameter Kecepatan Spesifik Runner Maksimum (Ns max) yang mempunyai rentang batas untuk tiap jenis turbin, sbb : Turbin Pelton : N s max 85,49 H-0,243 dengan rentang batas 12Ns 25 Turbin Cross Flow : Ns max 650 H0,5

dengan rentang batas 40Ns 200 Turbin Francis : Ns

max

30 + [20000/max

( H+20)] dengan rentang batas 60Ns 300 Turbin Propeller : Ns [20000/( H+20)] dengan rentang batas 250Ns 1000

50 +

Ketinggian Air (M) 0.5 10 0.5 12 2 50 2 15 1.25 25 1 70 8 300 45 300 1 200 45 1000

Debit (M3/detik) 0.05 8 3 20 1.5 40 3 25 3 40 0.3 20 18 0.03 9 0.06 3 -

Kapasitas (KW)

Jenis Turbin Simple wood and metal wheel Scheider Hydro Engine Axial Flow Straflo Turbular Bulb Kaplan Francis Turgo Cross Flow, Banki, Mitchel or Obserger Pelton

50 5000 150 3500 500 5000 50 1000 100 5000

3.2.3 Macam-Macam Turbin Mikrohidro 3.2.3.1 Turbin CrossFlow 24

Pada Turbin Aliran Silang (Cross Flow), tinggi energi efektif (HEff) dihitung dari beda tinggi antara muka air di bak penenang dan poros runner turbin dikurangi kehilangan energi antar bak penenang dan sumbu runner (H).

Gambar 3.2.3.1 Turbin CrossFlow 3.2.3.2 Turbin Propeller Pada Turbin Propeller, tinggi energi efektif (HEff)dihitung dari beda tinggi antara muka air di bak penenang dan muka air hilir dikurangi dengan kehilangan energi antar bak penenang dan propeller (H) serta kehilangan energi pada outlet pipa hisap (draft tube).

25

Gambar 3.2.3.2 Turbin Propeller

3.2 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) 3.2.1 Pengertian MikroHidroPembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala kecil (kurang dari 200 kW), yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber penghasil energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energi karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTM dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. Secara ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relatif murah, sedangkan biaya investasinya cukup bersaing dengan pembangkit listrik lainnya. Secara sosial, PLTMH mudah diterima masyarakat luas (bandingkan misalnya dengan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir). PLTMH biasanya dibuat dalam skala desa di daerahdaerah terpencil yang belum mendapatkan listrik dari PLN. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya penghasil listrik adalah yang memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu serta instalasi. Pembangkit listrik kecil yang dapat menggunakan tenaga air pada saluran irigasi dan sungai atau air terjun alam, dengan memanfaatkan tinggi terjunan

26

dan jumlah debit airnya (m3/detik). Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Pada umumnya Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) mampu memasok listrik sebesar 10100.000 watt. 3.2.2 Bagian-Bagian PLTM PLTM mempunyai beberapa bagian penting yang mendukung kemampuan kerjanya, antara lain : 1.Saluran Pengambilan (Intake) dan Bendung/weir. Biasanya berada dibibir sungai kearah hulu sungai. Pada pintu air air biasanya terdapat perangkap sampah. 2.Saluran Pembawa/ headrace. Membawa air dari saluran Pemasukan (Intake) ke`arah Bak Pengendap. 3. Bak Pengendap/ Bak Penenang (Forebay). Mengendapkan tanah yang terbawa dalam air sehingga tidak masuk ke pipa pesat Bak pengendap sama dengan Bak penenang pada PLTMH kecil. 4. Pipa pesat (Penstock). Pipa Pesat adalah pipa yang membawa air jatuh kearah mesin Turbin. Di samping itu, pipa pesat juga mempertahankan tekanan air jatuh sehingga energi. Di dalam gerakan air tidak terbuang. Air di dalam pipa pesat tidak boleh bocor karena mengakibatkan hilangnya tekanan air. 5. Rumah Pembangkit/ Power House. Rumah Pembangkit adalah rumah tempat semua peralatan mekanik dan elektrik PLTMH. Peralatan mekanik seperti Turbin dan Generator berada dalam Rumah Pembangkit, demikian pula peralatan elektrik seperti kontroler. 6. Mesin PLTMH atau Turbin. Berada dalam rumah pembangkit. Mesin ini mengubah tenaga air menjadi Mekanik (tenaga putar/gerak). Turbin termasuk alat mekanik. Turbin dengan bantuan sabuk pemutar memutar Generator (dinamo besar

27

penghasil listrik) untuk mengubah tenaga putar/ gerak menjadi listrik. Generator termasuk alat mekanik. 7. Panel atau Peralatan Pengontrol Listrik. Biasanya berbentuk kotak yang ditempel di dinding. Berisi peralatan elektronik untuk mengatur listrik yang dihasilkan Generator. Panel termasuk alat elektrik. 8. Jaringan Kabel Listrik. Biasanya kabel yang menyalurkan listrik dari rumah pembangkit ke pelanggan.

3.2.3 Keuntungan Dan Kerugian Penggunaan PLTM3.2.3.1. Keunggulan 1. Bermanfaat untuk menunjang kegiatan sosial ekonomi masyarakat di pedesaan. 2. Pengembangan Mikro Hidro dipandang sebagai pilihan yang tepat untu penyediaan energi listrik untuk daerah terpencil dengan jumlah penduduk yang sedikit dan sulit dijangkau jaringan listrik dari PLN. 3. Karena teknologi ini memanfaatkan sumber daya yang terbarukan, maka biaya operasi dan pemeliharaannya lebih rendah dibandingkan dengan mesin diesel yang menggunakan energi fosil (BBM) 4. Penerapannya relatif mudah dan ramah lingkungan, tidak menimbulkan polusi udara dan suara. 5. Efisiensinya tinggi. 6. Apabila teknologi ini di gunakan untuk memutar pompa air, aman karena pompa tidak digerakan dengan motor listrik. Disamping itu efisiensinya menjadi lebih baik. 7. Apabila sistem pemasangan turbin di saluran irigasi sedemikian rupa sehingga air penggerak turbin dapat dialirkan kembali ke salurannya, maka efisiensi menjadi lebih besar, karena dengan demikian air irigasi ditingkatkan daya gunanya. 8. Masyarakat yang menikmati manfaat mikrohidro dapat membantu menjaga kondisi lingkungan daerah tangkapan airnya.

28

3.2.3.2. Kelemahan 1. Teknologi Mikro Hidro belum mempunyai nilai ekonomi yang baik karena masih dibuat secara pesanan (tailor made), sehingga harga masih relatif tinggi. 2. Sosialisasi Teknologi Mikro Hidro masih sangat kurang, terutama mengenai fungsinya yang dapat digunakan untuk penggerak peralatan lainnya seperti pompa air, penggiling padi, kopi, dll. 3. Diperlukan sosialisasi mengenai dampak positip penerapan mikro hidro terhadap pengembangan kegiatan sosial ekonomi masyarakat pedesaan seperti industri kecil/rumah, perbengkelan, pertanian, peternakan, pendidikan, dll.

3.2.4 Sistem Kerja PLTM Sistem mikrohidro Gambar 15.2 terdiri dari penampungan air dalam bentuk bendungan kecil (A), melalui sebuah pipa yang ujungnya dipasangkan filter untuk menyaring air sehingga kotoran tidak masuk ke pipa dan turbin.

Gambar 3.2.4 Sistem pembangkit listrik mikrohidroKeterangan A. Tangki air dari bendungan B. Pipa lubang angin C. Pipa pesat D. Katup pembuka atau Gate valve E. Spear valve F. Generator G. Turbin H. Dudukan Turbin

29

Pipa menuju turbin sering disebut pipa pesat (C), dilengkapi dengan pipa pernapasan udara (B) gunanya agar udara yang terjebak dalam pipa bisa keluar dan tidak menghantam sudu-sudu turbin. Katup pembuka (D) dipasang sebelum turbin, gunanya untuk menutup aliran air ke Turbin, ketika dilakukan perbaikan berkala pada turbin. Aliran air dari pipa pesat melewati katup spear (E) untuk mengatur debit air yang masuk ke turbin air (G). Akibat energi potensial air, sudu-sudu turbin akan memutar poros turbin yang dikopel langsung dengan generator listrik (F). Generator akan menghasilkan energi listrik yang siap digunakan untuk berbagai kebutuhan. Air buangan dialiskan ke saluran pembuangan dan kembali ke sungai.

30