Generator Design

Manajemen Energi | Sistem Konversi Energi Listrik | Nyoman S Kumara | 1


Turbin generator

Energi alam/primer dikonversi menjadi

fluida/energi yang sesuai untuk menggerakkan turbin

Energi listrik


Komponen utama:

- Magnet

- Kumparan

Agar timbul tegangan induksi, maka salah satu dari komponen tersebut harus bergerak terhadap yang lain sehingga terjadi perubahan jumlah medan magnet yang dilingkupi oleh kumparan.

Besarnya tegangan yang timbul dihitung dengan persamaan Induksi Faraday:

ε adalah emf yang dihasilkan (volt)ΦΒ adalah fluks magnet (weber)

N adalah banyaknya lilitan

UNSW Generator

Bagian yang bergerak disebut rotor (rotate=berputar=bergerak).

Bagian yang diam disebut stator (static=diam)


Output generator didesain dengan mengatur variabel yang diperlihatkan dalam persamaan Induksi Faraday, yaitu:

1. Kuat medan magnet

Kuat medan magnet dinyatakan dalam satuan Tesla. Cakupan kuat medan suatu magnet permanen adalah antara beberapa mili Tesla hingga beberapa Tesla.

2. Kumparan (jumlah lilitan)

3. Kecepatan putar dari rotor (rad/s, RPS: revolution per second, RPM: revolution per minute)

pfn 120

=

Hubungan antara kecepatan dan frekwensi dalam generator sinkron dinyatakan dalam persamaan:

n= kecepatan putaran rotor,

f= frekwensi tegangan yg dihasilkan,

P=jumlah kutub dari generator


Unsur-unsur alam yang digunakan dalam pembuatan magnet antara lain:besi, aluminium, kobal, nikel, titanium. Kombinasi unsur-unsur alam inimenghasilkan berbagai jenis magnet seperti: Alnico, Ticonal, dan rare-magnet earth.

Magnet yang digunakan dalam generator listrik, digolongkan menjadi 2, yaitu: magnet permanen dan elektromagnet.

1. Magnet permanen:

Rare-magnet earth adalah magnet yang dibuat dengan mengkombinaskan unsur samarium, kobal, neodymium, iron, dan boron sehingga dikenal magnet samarium-kobal (SmCo) dan neodimium-iron-boron (NdFeB atau NIB). Kedua jenis magnet ini merupakan magnet yang sangat kuat. Karena terbuat dari unsur alam yang jarang maka harganya mahal sehingga aplikasinya terbatas.

Magnet yang berasal dari unsur alam yang ditambang. Magnet permanen digunakan untuk generator daya kecil hingga menengah.


Karakteristik dari elektromagnet adalah:

Sifat kemagnetan tidak terlalu dipengaruhi oleh panas.

Bisa dibuat dimana-mana tanpa adanya kendala bahan. Magnet permanen NIB hanya bisa dibuat kalau ada tambang rare-earth magnet.

2. Elektromagnet Magnet yang dibuat dengan cara mengeksitasi sebuah kumparan dengan sumber listrik.


Secara sederhana kumparan dibuat dengan melilitkan kawat berisolasi tanpa inti atau berinti udara.

Inti besi ditambahkan untuk: Memperkuat densitas magnet, mengarahkan fluks magnet

Inti besi adalah struktur yang terbuat dari lembaran besi yang berisolasi yang disusun sedemikian rupa sehingga fluks magnet bisa diperkuat dan diarahkan. Bentuk dari inti besi disesuaikan dengan desain generator.

KHA, Kemampuan Hantar Arus sebagai dasar dalam memilih ukuran kawat yang akan digunakan. Makin besar penampang (A) penghantar makin besar KHA.


Dalam generator multi MW kawat yang digunakan memiliki penampang yang besar agar mampu mengalirkan arus yang besar.

Multi MW generator membutuhkan ‘kawat’dengan KHA 2000 – 5000 Ampere.


Sebuah generator biasanya didesain untuk beroperasi pada satu kecepatan saja. Misalnya generator dengan putaran 200, 1500, 2000, 3000, ….hingga 100000 (RPM) putaran per menit untuk generator berkecepatan tinggi.

Kenapa kecepatan harus tinggi ?

1. Karena kecepatan berbanding lurus dengan besarnya induksi tegangan yang dihasilkan dalam kumparan (Hukum Induksi Faraday).

2. Makin tinggi kecepatan rotor, untuk keluaran yang sama, generator bisa dibuat lebih kecil.

Dimensi kecil bahan lebih sedikit biaya turun, ruang yang dibutuhkan untuk instalasi juga makin kecil, transportasi lebih mudah dan ekonomis.

Generator kecepatan rendah biasanya digunakan dalam PLTA/PLTM. Generator kecepatan tinggi untuk sistem dengan turbin uap atau gas.


Pilot exciter: menghasilkan medan magnet (elektromagnet) bagi main exciter.

Main exciter: adalah generator ac yang kemudian di searahkan melalui sikat dan komutator.

Main exciter berfungsi sebagai sumber tegangan bagi exciting coil (elektromagnet) dari stator.


Dalam sebuah generator praktis, selain komponen utama juga memerlukan komponen penunjang yang harus ada sehingga generator dapat beroperasi dengan ekonomis, handal dan aman.

- Pendingin:

- Pendingin udara (cooled forced air cooling) untuk generator kecil sampai 50 MW

- Hydrogen cooling untuk generator besar (50 – 300 MW)

- Hollow, water cooled conductor (1000 MW)

- Sistem pengamanan: arus, suhu, dll


Nameplate sebuah generator menunjukkan keluaran dari generator jika generator beroperasi sesuai dengan desainnya.

Output generator akan berubah jika terjadi perubahan pada input dan output.

Perubahan input terjadi karena adanya perubahan pada sistem penggerak primernya:

PLTA penurunan debit air karena perubahan musim, karena penurunan cadangan air

PLTB penurunan kecepatan angin hingga di bawah cut in speed

PLTU/PLTD/PLTG/PLTPB gangguan pada sistem pengadaan bahan bakar atau sistem konversi energi primer menjadi energi mekanik


Output generator berubah karena adanya perubahan beban atau terjadi fangguan

Generator dijaga (dikendalikan) agar selalu beroperasi mendekati besaran nominalnya. Misalnya output selalu 220 V 50 Hz

Jika frekwensi turun maka putaran rotor perlu dinaikkan dengan mengatur sistem konversi energi primernya.

Contoh:

PLTA/PLTM tingkatkan volume air menuju turbin melalui katup pengatur aliran air.

PLTD/PLTU/PLTG/PLTPB atur kecepatan turbin.

Perubahan output yang dimaksud adalah perubahan kwalitas energi listrik yang dihasilkan. Sebagai contoh: penurunan tegangan dan/atau frekwensi melebihi ambang batas.


Tegangan menurun karena beban lebih atau gangguan jaringan

Jika beban naik, penurunan tegangan diatasi dengan pengaturan eksitasi (medan magnet)

Jika terjadi gangguan, penurunan tegangan diatasi dengan pengaturan jaringan melalui pemutusan bagian jaringan yang bermasalah


Berdasarkan eksitasinya (medan magnet), generator dikelompokan menjadi dua, yaitu:

1. Permanent Magnet Synchronous Generator (generator sinkron magnet permanen)

2. Brushed/Brushless Synchronous Generator (generator sinkron eksitasi dengan atau tanpa sikat-komutasi)

Perkembangan generator ditunjang oleh perkembangan teknologi bahan, teknik optimasi, dan teknik pendinginan.


Mengetahui potensi sumber energi alam yang tersedia di sekitar kita.

Mendesain generator yang sesuai dengan karakteristik potensi alam yang tersedia.

Membuat sendiri pembangkit skala kecil 2000 – 5000 Watt dengan bahan bakar gratis seumur hidup bagi yang memiliki akses terhadap sungai atau tenaga angin.

Adanya kebijakan PSKT (Pembangkit Skala Kecil Tersebar) atau DG distributed generation yang memungkinkan pembangkit skala kecil tersebar menjual kelebihan dayanya ke PLN.

Generator Design

Education

Transcript of Generator Design