STUDI SISTEM PENGUATAN DENGAN SIKAT (BRUSH EXCITATION) PADA GENERATOR SINKRON TIGA FASA PLTAPT. PJB UP CIRATA BANDUNG JAWA BARATYoegi Dwivanjaya 1; Dr. Eng. Suroso 2.1,2Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Jenderal Sudirman(1)Mahasiswa Pemakalah, (2)Dosen Pembimbing Kerja Praktik Abstrak - Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem penguatan) dan sebuah kumparan (biasa disebut kumparan jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik. Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar yang disebut sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat arang yang disebut system penguatan dengan sikat (brush excitation), tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yang disebut sistem penguatan tanpa sikat (brushless excitation).

Kata Kunci: Sistem Penguatan

1

I. PENDAHULUAN1.1 Latar BelakangProses pembangkitan energi listrik yang banyak dilakukan adalah dengan cara memutar generator sinkron sehingga menghasilkan energi listrik dengan arus bolak-balik tiga fasa. Untuk menghasilkan energi listrik dengan arus bolak-balik yang stabil, diperlukan sebuah teknologi berupa sistem eksitasi. Sistem eksitasi ini adalah sebuah teknik penguatan arus medan magnet yang dibangkitkan pada generator dengan prinsip elektromagnetis untuk menghasilkan medan magnet penguat. Bila rotor berputar akan menimbulkan perpototongan antara kumparan medan dengan stator winding sehingga menghasilkan Gaya Gerak Listrik (GGL).Generator utama PLTA Cirata Bandung menggunakan sistem eksitasi dengan sikat (brush excitation). Sistem eksitasi dengan sikat yang akan menjadi uraian dari laporan kerja praktik di PT. PJB UP Cirata.

1.2 Lingkup PembahasanUntuk menghindari terlampau luasnya ruang lingkup pembahasan dan agar tercapainya suatu hasil yang jelas maka dalam penyusunan laporan kerja praktek ini permasalahan yang akan di bahas meliputi:1. Secara umum akan membahas mengenai sejarah umum dan sistem pembangkitan listrik di PT. PJB UP Cirata, Bandung.2. Secara khusus yakni : a. Membahas mengenai pembangkitan listrik AC melalui proses medan elektromagnetis pada generator sinkron tiga fasa. b. Membahas mengenai sistem penguatan dengan sikat (brush eksitation) pada generator AC tiga fasa menggunakan sumber DC atau sumber AC yang disearahkan. c. Membahas cara pemeliharaan sistem penguatan dengan sikat (brush eksitation) pada generator sinkron tiga fasa PT. PJB UP Cirata.

1.3 TujuanKerja praktik yang dilakukan di PT. PJB UP Cirata Bandung Jawa Barat bertujuan untuk:1 Mengetahui sistem dan proses pembangkitan energi listrik di PT. PJB UP Cirata Bandung.2 Mengamati dan mempelajari proses dari sistem penguatan dengan sikat (brush excitation) pada generator sinkron tiga fasa PLTA PT. PJB UP Cirata Bandung.3 Mengetahui cara pemeliharaan serta permasalahan (trouble shooting) yang mungkin terjadi pada sistem penguatan dengan sikat di PT. PJB UP Cirata

II. SEJARAH DAN SISTEM PEMBANGKITAN LISTRIK DI PT. PJB UP CIRATA2.1 SejarahUnit Pembangkitan Cirata merupakan PLTA terbesar di Asia Tenggara, dengan bangunan power house empat lantai di bawah tanah yang pengoperasisannya dikendalikan dari ruang kontrol (switch yard) berjarak kurang lebih 2 km dari mesin-mesin pembangkit yang terletak di power house. PLTA Cirata pertama kali dioperasikan pada tahun 1988 dikelola oleh PLN (Persero) Pembangkitan dan Penyaluran Jawa Bagian Barat (PLN KJB) sektor Cirata. Pada tanggal 3 Oktober 1995, terjadi restrukturisasi di PLN (Persero) yang mengakibatkan pembentukan dua anak perusahaan, yaitu PT PLN Pembangkitan Tenaga Listrik Jawa-Bali 1 dan 2 yang disebut PT PJB I dan PT PJB II sehingga sektor Cirata masuk wilayah kerja PT PLN Pembangkitan Tenaga Listrik Jawa-Bali II. Pada tahun 1997, sektor Cirata berubah nama menjadi PT PLN Pembangkitan Tenaga Listrik Jawa-BaliII Unit Pembangkitan Cirata. Dengan perkembangan organisasi sejak tanggal 3 Oktober 2000, berubah nama menjadi PT Pembangkitan Tenaga Listrik Jawa-Bali, Unit pembangkitan Cirata (PT PJB UP Cirata).

2.2 Sistem PembangkitanProduksi dan sistem pengoperasian kegiatan usaha inti adalah pembangkit tenaga listrik dengan total daya terpasang 1008 Mega Watt (MW) dengan dioperasikannya 8 buah turbin berkapasitas masing-masing 129.000 KW dan dengan putaran 187,5 RPM. Adapun tinggi air jatuh efektif untuk memutar turbin adalah 112,5 meter dengan debit air maksimum 135 m3/detik. Tenaga listrik yang dihasilkan PLTA Cirata melalui generator dengan tegangan 16,5 kV yang dinaikkan menjadi 500 kV melalui trafo utama yang kemudian melalui gardu induk tegangan ekstra tinggi 500 kV (GITET) Cirata, energi tersebut disalurkan ke sistem interkonoeksi 500 kV Jawa-Madura-Bali (Jamali). Jaringan 500 kV tersebut dikendalikan oleh Pusat Pengaturan dan Penyaluran beban (P3B) Gandul-JakartaMengoperasikan unit pembangkit Cirata dapat dilakukan melalui 3 mode sistem pengoperasian yaitu mode operasi local manual, mode operasi local auto, mode operasi remote

III. SISTEM PENGUATAN PADA GENERATOR SINKRON TIGA FASA PLTA PT. PJB UP CIRATA3.1 Sistem Penguatan dengan Sikat (Brush Excitation)Sistem penguatan pada PLTA Cirata Bandung adalah jenis sistem penguatan menggunakan sikat (brush excitation system), dimana sebuah generator (main generator) sebagai sumber tegangan AC yang diubah menjadi DC memelui penyearah (thyristor). Penggunaan baterai sebagai sumber tegangan DC awal, untuk mengalirkan arus penguatan dari main exciter ke rotor generator digunakan slip ring dan sikat arang. Medan magnet dihasilkan oleh 32 pole winding rotor yang dipasang satu poros dengan satu unit slipring yang masing-masing terdiri dari slipring positif ( + ) dan slipring negative ( - ). Melalui 12 buah carbon brush yang dipasang menempel pada sisi luar permukaan slipring positif (+) dan 12 buah carbon brush dipasang menempel pada sisi luar permukaan slipring negative (-), arus DC dari thryrstor di panel excitation disupply ke pole winding rotor melalui carbon brush dan slipring untuk menghasilkan medan magnet yang dibutuhkan generator. Untuk memperjelas penjelasan di atas, berikut akan disajikan gambaran dari sistem eksitasi PLTA Cirata.

Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan Sistem Penguatan dengan Sikat

Arus searah untuk suplai penguatan awal start generator digunakan suplai dari beterai, yang sering dinamakan penguat mula, dimana arus ini selanjutnya disalurkan ke belitan medan AC eksiter. Tegangan keluaran dari generator sinkron ini disearahkan oleh penyearah menggunakan dioda, yang disebut thyristor. Arus medan pada generator utama dikontrol oleh arus yang mengalir pada kumparan medan generator penguat (eksiter). Setelah tegangan generator mencapai tegangan nominalnya maka catu daya DC (baterai) dilepas dan digantikan oleh penyearah. Penguatan yang dipakai adalah Self Exitation Sistem yaitu sitem dimana sumber daya untuk penguatnya diperoleh dari keluaran tiga fasa generator itu sendiri.

3.2 Bagian-bagian Utama Sistem Penguatan dengan Sikat (Brush Excitation)3.2.1 Transformator tenaga untuk penguatan (excitator transformer)Transformator yang dipakai adalah transformator tenaga yang biasa digunakan untuk trafo distribusi dengan data teknis tertentu, dengan sistem pendingin minyak. Prinsip kerja trafo penguatan sama dengan prinsip kerja trafo tenaga distribusi. Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

3.2.2 Pengatur arus medan (automatic voltage regulator/AVR)Prinsip kerja dari pengatur arus medan adalah mengatur arus penguatan pada eksiter. Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator, maka AVR akan memperbesar arus penguatan pada eksiter. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus penguatan pada eksiter. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output generator akan dapat distabilkan oleh AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untuk pembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis.

3.2.3 ThyristorSistim thyristor disini untuk mengubah tegangan AC ke DC (rectifier). Thyristor merupakan pengembangan dari dioda dimana kelebihan thyristor adalah memiliki gate untuk input sudut penyalaan. Untuk kebutuhan arus penguatan, sistim rangkaian thyristor yang digunakan disini tersusun dari 6 buah thyristor dan 6 buah fuse. Fuse ini berjenis fuse kecepatan tinggi (high speed fuse). Konstruksi fuse ini terdiri dari suatu resin melanin dan terminal metal pada kedua ujung, disekitarnya digunakan lempengan porselen untuk meredam busur api.

3.2.4 Kutub-kutub magnit dan rotorTerdiri dari bagian utama sebagai berikut:a. Slip ring dan sikat arangPenempatan slip ring dan sikat arang untuk rotor generator dapat dilihat pada Gambar 3.2. Banyak sikat (brushes) yang harus dipasang pada setiap ring untuk penggunaan arus tinggi dari suatu generator berkapasitas besar. Penggunaan sikat arang dapat menyebabkan problem yaitu timbulnya bunga api, oleh karena itu perlu adanya suatu pemeliharaan dengan cara pembaruan sikat-sikat karena pemakaian dan penyetelan pegas sikat.

Gambar 3.2 Slip Ring (a) dan Sikat Arang/Burshgear (b)

b. Penahanan medan (field suppression)Setiap sistem penguatan perlu dipasang saklar pada sirkuitnya dengan tujuan agar memungkinkan sirkuit medan terisolasi saat perneliharaan atau pada kondisi-kondisi gangguan. Saklar yang dipasang pada sirkuit rotor utama dihubungkan kesaklar medan utama dengan pengaturan khusus yang interlock satu sama lain. Bila interlock pada beban penuh trip, maka saklar utama terbuka sehingga arus DC dan medan magnit akan hilang dengan cepat sekali. Medan magnit yang berubah dengan cepat akan menginduksikan tegangan yang tinggi yang dapat merusak isolator dari rotor. Oleh karena itu bila saklar medan terbuka maka saklar penahanan medan akan menutup (membuat sirkuit tertutup)

3.3 Proses Terjadinya Control Tegangan DC ke Rotor Keluaran tegangan generator yang tinggi diturunkan melalui transformator penguatan sehingga outputnya menjadi lebih rendah dan disearahkan, output penyearah telah menjadi DC.

Gambar 3.3 . Rangkaian Penyearah Tiga Fasa untuk Supply arus DC ke rotor generator

Besar kecilnya tegangan pada rangkaian penyearah/thyristor menentukan hasil output generator yang di induksi, sehingga keluarannya merupakan komando atau bergantung pada rangkaian control AVR.

3.4 Cara Kerja Sistem Penguatan dengan Sikat PLTA CirataTurbin generator berputar menggerakan rotor generator sampai dengan putaran nominal 187,5 rpm. Pada saat putaran generator menuju 80% dari putaran nominal 187,5 rpm yaitu 150 rpm, kontakswitch tegangan initial baterai 110 V DC dan kontak field discarger circuit breaker menutup untuk memberikan penguatan arus medan (If) awal ke rotor generator (pada saat ini trafo eksitasi 16,5 kV/393 V belum kerja) sampai dengan 20% dari I fn = 1.830 A = 336 A kira-kira tegangan pada terminal generator -+ 3.3 kV).Pada saat penguatan arus medan If = 20% dari I fn = 366 A, bersama itu kontak switch tegangan initial baterre 110 V DC membuka dan penguatan arus medan If rotor generator berpindah, selanjutnya energy eksitasi didapat dari busbar generator melalui trafo tegangan eksitasi 16,5 kV/393 V. Thristor dari converter dan untuk pengaturan tegangan serta pengaturan medan dikontrol oleh gate control thrystor. Selanjutnya secara otomatis tegangan generator dikontrol oleh AVR hingga tegangan pada terminal generator menujukan 16,5 kV. Tegangan tersebut dipertahankan kestabilannya secara otomatis oleh sistem kontrol tegangan AVR (Automatic Voltage Regulator).

3.5 Sistem Proteksi dari Sistem Penguatan dengan SikatUntuk mendeteksi serta untuk mengamankan peralatan dari system penguatan, perlu adanya peralatan pengaman/proteksi yang mrmpu bekerja sesuai dengan fungsinya. Terdapat beberapa peralatan pengaman pada sisim penguatan tersebut, antara lain:3.5.1 Voltage Balance Relay Relai ini berfungsi untuk mengetahui apakah output generator normal/tidak dan apakah fuse sisi sekunder/primer dalam kondisi normal.3.5.2 Over Temperature RelayRelai ini berfungsi untuk mendeteksi temperatur yang bekerja pada trafo eksitasi, yaitu menditeksi apakah temperatur trafo melebihi batas yang ditentukan.3.5.3 Over CurrentRelai over current berfungsi untuk mendeteksi apakah pemakaian arus pada trafo eksitasi melebihi batas yang ditentukan.3.5.4 Ground Fault RelayRelai ini berfungsi untuk mengamankan dan mendeteksi apabila terjadi gangguan hubung singkat pada rotor generator atau sistem supply DC ke kumparan medan.Relay merupakan sebuah alat-alat yang bekerja secara otomatis mengatur/memasukan suatu rangkaian listrik (rangkaian trip/alarm) akibat adanya perubahan rangkaian lain yang berbentuk signal/inputan seperti mekanik (aliran, tekanan), listrik (tegangan, Arus, frekuensi), thermos (suhu), elektronik (pulsa, frekuensi) yang bias berupa logc analog maupun digital. Relay proteksi adalah suatu alat yang di digunakan untuk mengamankan peralatan-peralatan listrik terhadap kondisi abnormal.

3.6 Pemeliharaan Sistem Penguatan dengan SikatGuna menjaga kelangsungan kerja dari sistim operasi unit maka harus dilaksanakan pemeliharaan pada sistim penguatan generator. Hal ini perlu dilakukan agar menjaga life time dari sistem penguatan dengan sikat dari suatu pembangkit.Dalam sistim penguatan dengan sikat pada generator, perawatan yang perlu dilakukan antara lain:1. Posisi MCB yang terdapat didalam panel penguatan perlu dicek posisinya apakah normaly open atau normaly off pada saat operasi.2. Polarity Reversing Link merupakan kontaktor DC yang harus dipindahkan Setiap 6 bulan sekali. Diharapkan dari perpindahan kontaktor ini akan menjaga keausan salah satu polarity DB (+/ -) menjadi sama. Sehingga life time system penguatan dengan sikat menjadi lebih lama. 3. Menjaga kebersihan pressure-pressure switch di dalam panel dan saringan udara pada panel.4. Membersihkan kotoran atau arang tipis yang timbul dalam field breaker. Arang tipis yang menempel ini timbul karena bunga api pembukaan field breaker. Pada saat pembersihan ini kondisi unit harus shunt down dan peralatan yang bertegangan harus sudah digrounding.

3.7 Trouble Shooting Sistem Penguatan dengan SikatTeknik troubleshooting merupakan kemampuan yang perlu di kuasai oleh teknisi pemeliharaan. Troubleshooting atau perburuan sumber gangguan yang sering terjadi pada unit instalasi mesin maupun listrik harus dapat diselesaikan dalam waktu yang sesingkat-singkatnya.Sebelum dapat membangun tegangan sendiri sistem penguatan ini mendapat injeksi pendahuluan dari baterai (flashing). Flasing terjadi pada putaran sekitar 95%. Permasalahan-permasalahan yang dapat terjadi pada sistem penguatan dapat dijelaskan sebagai berikut:

GANGGUANKEMUNGKINAN PENYEBAB

1. Tegangan generator tidak muncul waktu flasing

2. Sistem eksitasi tidak setabil

Flasing contactor tidak berfungsi Tegangan flasing belum tersedia Rangkaian flasing terbuka Rangkaian medan terbuka/hubungan singkat Pengaman lebur flasing terputus

Regulator Gain (AC atau DC) diset terlalu tinggi Gangguan catu daya Gangguan regulator Beban turbin goyang

IV. PENUTUP4.1 KesimpulanDari kerja praktek yang dilakukan di PT. PJB UP Cirata Bandung dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:1. Konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet/sistem penguatan) dan sebuah kumparan (biasa disebut kumparan jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik. 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 brushless excitation system.2. Sistem penguatan dengan sikat (brush excitation) mempunyai kelemahan dalam masalah pemeliharaan karena bunga api, diperlukan pemeliharaan dalam pembaruan sikat-sikat karena pemakaian, penyetelan pegas sikat dan sebagainya.3. Nilai arus penguatan harus dijaga agar selalu sesuai dengan arus dasar pada sistem penguatan sehingga kestabilan sistem secara keseluruhan tetap stabil.

4.2 Saran1. Sistem penguatan dengan sikat (brush excitation) dapat dialihkan dengan menggunakan sistem penguatan tanpa sikat (brushless excitation) karena biaya perawatan relatif lebih rendah.2. Untuk menghasilkan tegangan sistem yang stabil, besarnya arus penguatan harus selalu diperhatikan berkaitan dengan fluktuasi beban yang terjadi.

V. DAFTAR PUSTAKA1. File pusat pendidikan dan latihan PT. PJB (persero)

2. Muslim, Supari dkk. 2008, Teknik Pembangkit Tenaga Listrik Jilid 1 untuk SMK. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jendral Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, Departemen Pendidikan Nasional: Jakarta.

3. Arismunandar, Artono dan Kuwahara, Susumu. 1997. Teknik Tenaga Listrik Jilid III. PT. Pradnya Paramita. Jakarta.