BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 PENGERTIAN POMPA

Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang

relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah. Fluida cair pada tekanan

tinggi memiliki energi potensial yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan

fluida cair pada tekanan yang rendah. Oleh karenanya, fluida cair akan mengalir

dari tempat bertekanan tinggi menuju tempat bertekanan rendah.

Banyak pengertian tentang pompa, namun pengertian pompa yang dipakai

secara umum adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan

dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut.

Pompa merupakan sebuah mesin yang mampu menambahkan tekanan ataupun

energi kepada fluida cair. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk

mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu

dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.

Dengan memasang pompa, fluida cair akan mampu dialirkan dari tempat

berdataran rendah menuju tempat yang relatif lebih tinggi.

Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian

masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa

berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak)

menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan

cairan dan mengatasi hambatan yang ada di sepanjang pengaliran.

Sistim pemompaan bertanggung jawab terhadap hampir 20% kebutuhan

energi listrik dunia dan penggunaan energi dalam operasi pabrik industri tertentu

berkisar 25-50% (US DOE, 2004).

Gambar 2.1 Sistem Pemompaan Dalam Sebuah Industri (US DOE, 2001) [12]

Secara umum, komponen utama sistem pemompaan (seperti yang terlihat

dalam Gambar 2.1 di atas) adalah:

1. Pompa

2. Mesin penggerak: motor listrik, mesin diesel atau sistem udara

3. Pemipaan, digunakan untuk membawa fluida

4. Kran, digunakan untuk mengendalikan aliran dalam sistem

5. Sambungan, pengendalian dan instrumentasi lainnya

6. Peralatan pengguna akhir, yang memiliki berbagai persyaratan (misalnya

tekanan, aliran) yang menentukan komponen dan susunan sistim

pemompaan. Contohnya adalah alat penukar panas, tangki dan mesin

hidrolik.

2.2 KLASIFIKASI POMPA

Klasifikasi pompa menurut prinsip operasi dasarnya, dapat diklasifikasikan

menjadi dua bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan

pompa kerja dinamis (dynamic pump) atau yang sering disebut sebagai pompa

sentrifugal.

Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai rancangan

pompa. Jika berbagai rancangan pompa digunakan, pompa sentrifugal biasanya

yang paling ekonomis diikuti oleh pompa rotary dan reciprocating. Walaupun

pompa perpindahan positif biasanya lebih efisien daripada pompa sentrifugal,

namun keuntungan efisiensi yang lebih tinggi cenderung diimbangi dengan

meningkatnya biaya perawatan.

Gambar 2.2 di bawah ini akan menjelaskan berbagai jenis pompa yang hadir

dalam berbagai ukuran untuk penggunaan yang luas.

Gambar 2.2 Berbagai Jenis Pompa [12]

2.2.1 Pompa Kerja Positif (Positive Displacement Pump)

Pompa perpindahan positif dikenal dengan caranya beroperasi, yaitu cairan

diambil dari salah satu ujung dan pada ujung lainnya dialirkan secara positif untuk

setiap putarannya. Energi mekanik dari putaran poros pompa dirubah menjadi

energi tekanan untuk memompakan fluida.

Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa

disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut.

Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume

ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut.

Pada pompa jenis ini dihasilkan head yang tinggi tetapi kapasitas yang dihasilkan

rendah.

Pompa perpindahan positif digunakan secara luas untuk pemompaan fluida

selain air, biasanya fluida kental. Pompa perpindahan positif selanjutnya

digolongkan berdasarkan cara perpindahannya, yaitu: pompa rotary dan pompa

torak (piston).

2.2.2 Pompa Kerja Dinamis (Dynamic Pump)

Sering juga disebut sebagai pompa sentrifugal. Gaya sentrifugal adalah

sebuah gaya yang mengakibatkan benda atau partikel terlempar ke luar dalam

lintasan melengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan suatu pompa

yang memiliki elemen utama sebuah motor dengan sudu impeller berputar dengan

kecepatan tinggi. Fluida masuk dipercepat oleh impeller yang menaikkan

kecepatan fluida maupun tekanannya dan melemparkan ke luar volut. Biasanya

lebih dari 75 % pompa yang dipasang di sebuah industri adalah pompa sentrifugal.

Prinsip kerjanya adalah mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan

menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam

casing.

2.2.2.1 Prinsip Kerja Sentrifugal

Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk

mengangkat zat cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi.

Daya dari luar diberikan pada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam

zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam impeller oleh dorongan sudu-sudu dapat

berputar. Karena timbul gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah

impeller ke luar melalui saluran di antara sudu-sudu. Disini head tekanan zat cair

menjadi lebih tinggi. Demikian juga head kecepatannya menjadi lebih tinggi

karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar melalui impeller akan

ditampung oleh saluran berbentuk volute (spiral) dikelilingi impeller dan

disalurkan keluar pompa melalui nozel (outlet/discharge). Di dalam nosel ini

sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head tekanan. Jadi impeller pompa

berfungsi memberikan kerja pada zat cair sehingga energi yang dikandungnya

menjadi lebih besar. Selisih energi per satuan berat atau head total zat cair antara

flange (flens) isap dan flange (flens) keluar disebut head total pompa.

Dari uarian di atas, jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energi

mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang

mengakibatkan perubahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada

zat cair yang mengalir secara kontinu.

Gambar 2.3 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal [14]

Menurut proses perpindahan energi dan benda cair sebagai bahan aliran,

maka pompa sentrifugal termasuk mesin aliran fluida hidraulik. Rumus utama

Euler untuk mesin aliran fluida juga berlaku untuk pompa ini. Tinggi kenaikan

dari pompa sentrifugal adalah sama dengan perbandingan kwadrat dari kecepatan

putar pompa.

Karakteristik pompa sentrifugal ditentukan oleh besaran-besaran sebagai

berikut:

1. Volume fluida yang dipompa V

2. Tinggi kenaikan H

3. Sifat atau keadaan di sisi bagian isap

4. Daya yang dibutuhkan untuk memutar pompa

Pompa sentrifugal mempunyai daerah penggunaan yang sangat luas, seperti

pada pemakaian dalam masalah ekonomi air, mesin tenaga dan instalasi pemanas,

kimia maupun petro kimia, perkapalan dan pompa yang dipakai di tambang-

tambang. Lingkup penggunaan pompa sangat luas dengan berbagai kebutuhan

terhadap kapasitas dan tinggi kenaikan yang berbeda-beda. Kadang-kadang

pompa harus dibuat secara khusus sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan

terhadap kapasitas pompa yang dibutuhkan, tinggi kenaikan dan bahan (fluida)

yang akan dipompa, serta terdapat juga persyaratan khusus dari tempat di mana

pompa tersebut akan dipasang, dari kemungkinan pemilihan mesin penggerak

pompa dan dari masalah perawatan pompa tersebut.

2.2.2.2 Bagian-Bagian Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, fluida cair digerakkan oleh gaya sentrifugal dari

daerah yang bertekanan rendah di pusat impeller menuju daerah yang bertekanan

tinggi di discharge pompa. Secara garis besar, elemen atau komponen-komponen

utama dari pompa sentrifugal ini, adalah sebagai berikut:

Gambar 2.4 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal [2]

Keterangan gambar (bagian-bagian utama pompa sentrifugal):

A. Stuffing Box

B. Packing

C. Shaft (Poros)

D. Shaft Sleeve (Selongsong

Poros)

E. Vane

F. Casing (Rumah Pompa)

G. Eye of Impeller

H. Bearing (Bantalan)

I. Casing Wear Ring (Cincin

Penahan Aus)

J. Impeller

K. Discharge Nozzle

2.3 TURBIN AIR

Kemajuan teknologi sekarang ini dalam bidang teknik mesin terutama

dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi

banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Diantaranya

adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik. Alat

tersebut adalah berupa turbin yang digerakkan oleh air yang disambungkan

dengan generator. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan

untuk memutar roda turbin.

Turbin air dikembangkan pada awal abad ke-19 dan digunakan secara luas

untuk tenaga industri sebelum adanya jaringan listrik. Kata “turbin” ditemukan

oleh insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin yang diambil dari

terjemahan bahasa Latin dari kata whirling (putaran) atau vortex (pusaran air)

pegunungan. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat

memanfaatkan head yang lebih tinggi. Sekarang turbin air digunakan untuk

pembangkit tenaga listrik.

Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar

roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di

pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam dua

golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan

rendah.

Gambar 2.5 Pusat Tenaga Air Tekanan Tinggi Di Pegunugan [2]

Dalam suatu PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain

generator. Turbin air mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi

kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Energi mekanik

dalam bentuk putaran poros ini akan diubah oleh generator listrik menjadi tenaga

listrik.

Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi

potensial air yaitu:

Ep = m × g × h

Keterangan:

Ep = energi potensial air (Joule)

m = massa air (kg)

h = tinggi air jatuh (meter)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Dengan menggunakan rumus-rumus mekaina fluida, daya turbin, luas

penampang lintang saluran dan dimensi baian-bagian turbin lainnya serta bentuk

energi dari aliran air dapat ditentukan.

Ukuran dan penampang saluran aliran air, termasuk sudut-sudut sudu dari

konstruksi turbin air yang berbeda-beda adalah diperuntukkan pada keadaan

pembebanan yang normal (kebanyakan untuk pembebanan penuh). Dari kapasitas

air Q dan tinggi air jatuh efektif Heff. dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin:

P = Q × ρ× G × Heff× ηT

Keterangan:

P = daya turbin (KW)

Q = kapasitas air (m3/detik)

ρ = massa jenis cairan (kg/m3)

Heff = head efektif (m)

ηT = effisiensi turbin

Selama tinggi air jatuh efektif Heff. tetap sama daya yang dihasilkan turbin

disesuaikan dengan kebutuhan, dengan jalan mengubah-ubah kapasitas Q. Hal ini

terjadi karena posisi peralatan pengarah yang berubah. Sebagai hasilnya didapat

perbedaan harga randemen turbuin ηT pada saat pembebanan sebagian dari pada

saat pembebanan penuh.

Gambar 2.6 Randemen Beberapa Konstruksi Turbin Air Pada Saat

Pembebanan Sebagian; Informatif [2]

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air [2]

Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida

konstan sebagai berikut:

Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan

momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan

pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.

Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:

Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:

Keterangan:

P = tekanan absolut (N/m2)

v = kecepatan (m/s)

Hl = head losses pada pipa (m)

Heff = head efektif (m)

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:

Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V1 ≈ 0.

(pressure grade adalah nol).

Maka,

Persamaan kontinuitas:

Q = V × A

Keterangan:

Q = debit aliran (m3/detik)

V = kecepatan aliran (m/s)

A = luas penampang pipa (m2)

Head losses yang terjadi pada saluran pipa:

1. Mayor Losses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa

2. Minor Losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa,

seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.

2.3.1 Klasifikasi Turbin

Gambar 2.8 Kincir Air [11]

Kincir air adalah jenis turbin yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan

oleh masyarakat. Teknologinya sederhana dan biasanya bekerja pada tinggi air

yang rendah berkisar antara 0,1 meter sampai 12 meter (roda kincir besar), dengan

kapasitas aliran antara 0,05 m3/det sampai 5 m3/det, serta kecepatan putarannya

kecil berkisar pada 2 rpm sampai 12 rpm. Selain energi tempat, faktor yang harus

diperhatikan pada kincir air adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk ke

dalam sel-selnya.

Air yang mengalir ke dalam dan ke luar dari kincir tidak mempunyai

tekanan lebih, hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air yang mengalir ke dalam

kincir harus kecil, sebab bila kecepatannya besar ketika melalui sel air akan

melimpah ke luar atau energi yang ada hilang percuma.

Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibagi menjadi dua kelompok, yaitu

turbin impuls dan turbin reaksi.

Table 2.1 Pengelompokan Turbin

High Head Medium Head Low Head

Impulse TurbinePelton

Turgo

Cross Flow

Multi-Jet Pelton

Turgo

Cross Flow

Reaction Turbine FrancisPropeller

Kaplan

Francis Kaplan

Pelton

Gambar 2.9 Klasifikasi Turbin Air [2]

1. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama

Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya

dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-

kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga

menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain,

energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin

impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang

besar.

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar

nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Semua

energi tinggi tempat, dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah

menjadi energi kecepatan (Gambar 2.15).

Pancaran air tersebut akan menghasilkan gaya tangensial Fu di roda jalan.

Gambar 2.10 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), jalannya tekanan di dalam pipa

dan di dalam roda jalan [2]

2. Turbin Reaksi atau Turbin Tekanan Lebih

Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah

seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu

pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya

penurunan tekanan air selama melalui sudu.

Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut

semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau

dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong).

Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak (Gambar 2.11).

Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi

digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium.

Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya

kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan

uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang

kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak

sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka

kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan

isap (Hs).

Gambar 2.11 Sistem Kerja Dari Tinggi Air Jatuh mulai darisudu pengarah, sudu jalan dan ke pipa. Pembagian energitinggi air jatuh ke sudu pengarah; di sudu jalan timbul tekanankerendahan dan di dalam pipa isap tekanan tersebut kembaliterbentuk [2]

2.3.2 Perbandingan Karakteristik Turbin

Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu

berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air

adalah sebagai berikut:

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin [10]

Turbin Pelton 12 < ns< 25

Turbin Francis 60 < ns< 300

Turbin Crossflow 40 < ns< 200

Turbin Propeller 250 < ns< 1000

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan

pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin

dapat diestimasi (diperkirakan).

Gambar 2.12 Perbandingan Karakteristik Turbin [11]

Pada gambar terlihat turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head

yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi, atau bahkan beroperasi pada

kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena pada saluran sudu jalan belokannya

hanya sedikit saja. Pada waktu bekerja sudu jalan turbin ini dapat diatur posisinya,

disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh.

Gambar 2.13 Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin yang Berbeda [2]

Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat

modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga

menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda

turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.

2.4 PENGGUNAAN POMPA SEBAGAI TURBIN

Salah satu alternatif yang ekonomis untuk membangun pembangkit listrik

tenaga air skala kecil adalah dengan menggunakan pompa sebagai turbin. Bidang

ilmu yang khusus mengoperasikan pompa sebagai turbin ini sering disebut dengan

istilah PAT, singkatan dari Pumps As Turbine. Jarang yang tahu bahwa beberapa

tipe pompa air dapat diaplikasikan sebagai turbin air. Biasanya pompa digerakkan

oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai ketinggian tertentu. Pada

aplikasi pompa sebagai turbin, prinsip kerja pompa di balik - yaitu diberi jatuhan

air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeler pompa. Putaran impeler ini

akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik.

Gambar 2.14 Instalasi Penggunaan Pompa Sebagai Turbin

Tujuan dari rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal

sebagai turbin adalah untuk mengevaluasi penggunaan pompa sebagai turbin

dalam hal performansi pada kapasitas dan efisiensi. Pada operasi turbin, debit

bertambah seiring dengan kenaikan head. Head yang tersedia pada turbin sama

dengan ketinggian vertikal antara sisi masuk aliran di reservoir dengan sisi keluar,

sebagian kecil menjadi kerugian head pada pipa penstock. Kecepatan putar turbin

bervariasi menurut beban dan terdapat perbedaan efisiensi untuk masing-masing

kecepatan putar dan head.

Beberapa kelebihan aplikasi pompa sebagai turbin air adalah:

1. Sebagai produk industri yang massal, pompa mudah diperoleh dengan

berbagai variasi head - flow, tersedia dalam berbagai tipe dan ukuran.

2. Mudah dalam instalasinya.

3. Harga relatif murah daripada turbin, dan suku cadang mudah diperoleh.

4. Aplikasi pompa dapat dikoneksi secara langsung dengan generator (direct

drive) atau menggunakan transmisi mekanik pulley-belt (indirect drive)

apabila putaran pompa sebagai turbin tidak sama dengan putaran generator

(umumnya 1500 rpm).

Jenis pompa yang umum dipakai sebagai turbin adalah end-suction

centrifugal pump untuk jatuhan 7 meter-100 meter dengan debit kecil (50

liter/detik s.d 150 liter/detik) dan mixed-flow pump untuk jatuhan rendah 4 meter-

15 meter dengan debit cukup besar (100-400 liter/detik). Kapasitas daya aplikasi

pompa sebagai turbin beragam, mulai dari 1 kW-100 kW, dengan biaya peralatan

yang lebih murah (s.d 50 %) dibandingkan dengan menggunakan turbin air

(costume product).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pompa sentrifugal sebagai turbin bisa

diandalkan dengan efisiensi yang tinggi pada unit pembangkit skala kecil.

Aplikasi pompa sebagai turbin di lapangan sudah cukup banyak. Aplikasi pompa

sebagai turbin dapat dilakukan di saluran irigasi, tailing bendungan, menara air

gedung-gedung tinggi memanfaatkan jatuhan air kondensasi pendingin, atau

membuat sodetan (run-off river).

Rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal sebagai turbin

dalam skripsi ini adalah sistem terbuka. Penulis memilih sistem ini karena lebih

mirip dengan instalasi sebenarnya dalam penggunaan PAT dan pompa pengumpan

lebih sederhana, walaupun instalasi yang akan dirancang bangun akan lebih

mahal, lebih rumit serta head untuk pengujian terbatas.

2.5 GENERATOR

Generator listrik adalah sebuah alat yang menghasilkan energi listrik dari

sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang

ditemukan oleh Faraday. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau

generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang

mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan

listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak

menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa

dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak

menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat

maupun turbin 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 apa pun sumber energi mekanik yang lain.

Berdasarkan arus keluarannya, generator dapat dibagi menjadi dua jenis

yaitu generator arus searah atau biasa disebut dinamo, dan generator arus bolak-

balik atau alternator. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik

induksi dengan cara memutar gelung di antara kutub utara-selatan sebuah

mangnet. Perbedaan generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah

pada cincin luncur yang berhubungan dengan tiap ujung gelung. Pada generator

arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, disebut

cincin belah atau komutator.

Pada sistem pembangkit listrik biasanya menggunakan generator arus bolak-

balik. Berdasarkan kecepatan memutar gelung, generator ini dibagi lagi menjadi

generator sinkron dan generator asinkron (generator induksi). Disebut mesin

sinkron, baik generator maupun motor karena beroperasi pada kecepatan sinkron,

yaitu kecepatan dimana terbentuk medan magnet oleh gelung yang berotasi.

Kecepatan sinkron ini dapat diperoleh dari:

Keterangan:

Ns = kecepatan sinkron (putaran/detik)

f = frekuensi (Hz)

P = jumlah kutub dalam generator

Pada generator AC (alternator) pembangkit listrik, magnetlah yang berputar

sedangkan kumparannya diam. Magnet yang digunakan bukan magnet permanen

melainkan elektromagnet (kumparan yang dililitkan pada inti besi), sehingga

medan magnetik yang dihasilkan lebih besar daripada menggunakan magnet

permanen.

Dalam alternator pembangkit listrik, kumparan yang diam disebut kumparan

jangkar, sedangkan kumparan yang bergerak disebut kumparan medan. Kumparan

jangkar dan inti besinya disebut stator dan kumparan medan dan inti besinya

disebut rotor. Rotor dan turbin memiliki poros yang sama sehingga putaran turbin

akan juga memutar rotor. Selain memberi putaran pada rotor, turbin juga memberi

tenaga pada sebuah dinamo kecil (disebut exiter) yang berfungsi menyuplai arus

listrik ke kumparan medan.

Generator induksi adalah generator listrik yang secara mekanis dan elektrik

mirip dengan motor induksi. Generator induksi menghasilkan energi listrik ketika

porosnya diputar lebih cepat dari kecepatan sinkron yang dimiliki motor induksi

setara. Generator induksi sering digunakan untuk turbin angin dan beberapa

instalasi mikro hidro karena kemampuannya untuk menghasilkan daya yang

bermanfaat pada berbagai kecepatan rotor. Generator induksi secara mekanis dan

elektrik lebih sederhana daripada jenis generator lainnya.

Generator induksi tidak memiliki exiter seperti pada generator sinkron,

artinya generator ini memerlukan pasokan listrik eksternal untuk menghasilkan

fluks magnetik yang berputar. Pasokan listrik eksternal ini dapat diperoleh dari

jaringan listrik lain ataupun dari generator itu sendiri setelah mulai menghasilkan

daya. Fluks magnet berputar dari stator menginduksi arus pada rotor, yang juga

menghasilkan medan magnet. Jika rotor ternyata lebih lambat dari laju fluks

berputar, mesin bertindak seperti motor induksi. Jika rotor diputar lebih cepat,

akan bertindak seperti generator, menghasilkan daya pada frekuensi sinkron.

Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) telah diterapkan

secara luas pada PLTMH dan diakui keandalannya. Meskipun dari segi effisiensi,

khususnya pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik generator

sinkron, tetapi karena motor induksi banyak tersedia dipasaran dengan range daya

yang luas dan konstruksi motor induksi jauh lebih sederhana dibanding generator

sinkron sehingga lebih handal terhadap run away speed serta lebih mudah

perawatannya. Maka MISG dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron

untuk pembangkit mikro hidro. Prinsip kerja MISG secara sederhana akan lebih

mudah dipahami dari prinsip kerja motor induksi. Apabila motor induksi

dihubungkan dengan tegangan tiga fasa, pada kumparan statornya akan timbul

medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (disebut sebagai kecepatan

sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah

kutub statornya. Medan magnet putar pada kumparan stator akan memotong

batang konduktor pada kumparan rotor, akibatnya pada kumparan akan

dibangkitkan tegangan induksi. Pada kumparan rotor, karena batang konduktor

(umumnya berupa slot alumunium yang dihubungsingkatkan pada kedua

ujungnya) merupakan rangkaian yang tertutup, tegangan induksi pada rotor yang

disebabkan oleh medan magnet putar stator akan menghasilkan arus listrik.

Interaksi antara medan magnet putar pada stator pada arus rotor akan

menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar

pada stator. Seperti yang telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor

timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet

putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan

perbedaan relatif antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor

yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi

akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar akan selalu

lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi apabila

motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor digerakan oleh

turbin, adanya magnetisasi sisa (remannent magnetism) pada rotor umumnya

cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai

motor. Agar pada kumparan stator dapat dibangkitkan tegangan listrik diperlukan

daya reaktif untuk membangkitkan medan magnet putar. Pada kasus MISG

beroperasi sendiri (Isolated Grid) daya reaktif tersebut harus disuplai lewat

kapasitor eksitasi. Pada kasus MISG dikoneksikan dengan jaringan listrik lain

(Grid Connected) daya reaktif disuplai lewat jaringan tersebut. Kebalikan dari

proses sebagai motor, sebagai generator slip yang terjadi haruslah negatif, artinya

kecepatan rotor harus selalu lebih besar dari kecepatan medan magnet putarnya.

Tidak semua motor induksi cocok digunakan sebagai MISG. Jenis motor yang

cocok digunakan untuk MISG adalah jenis sangkar tupai (Squirel Cage Motor).

Kelebihan dari MISG daripada generator sinkron adalah sebagai berikut:

1. Lebih murah daripada menggunakan generator sinkron terutama untuk

keperluan daya yang rendah seperti pada PLTMH karena dapat digunakan

motor bekas.

2. Generator ini tidak akan bermasalah apabila kelebihan beban (overload),

apabila terjadi kelebihan beban generator ini hanya akan berhenti

menghasilkan listrik, apabila beban berlebih dilepaskan maka generator

akan bekerja seperti semula.

3. Mudah dibuat dari motor induksi, hanya dengan menyambungkan kapasitor

secara paralel ke motor dan dijalankan pada kecepatan lebih tinggi dari rpm

yang tertera.

Kekurangan MISG dari generator sinkron adalah sebagai berikut :

1. Generator sinkron dapat dibeli dan langsung digunakan, sedangkan MISG

memerlukan perhitungan nilai kapasitor sesuai yang akan dipasangkan pada

motor.

2. Generator tidak dapat di-start jika dipasangkan beban, generator tidak boleh

dipasangkan beban sebelum mencapai kecepatan kerja.

3. Generator ini tidak boleh digunakan untuk mengerakkan motor induksi,

karena induktansi tambahan dari motor akan membatalkan reaktansi dari

kapasitor dan menyebabkan generator berhenti menghasilkan listrik.

Untuk pengujian tidak digunakan MISG karena alasan berikut ini:

1. Sudah ada generator dari Laboratorium Mekanika Fluida sehingga

dapat menghemat biaya.

2. Tidak ada motor induksi bekas yang dapat dipakai, sehingga akan lebih

mahal jika dibeli motor induksi yang baru.

3. Untuk pengujian MISG kurang effisien untuk digunakan karena untuk

putaran rendah tidak dapat menghasilkan listrik.

Gambar 2.15 Generator AC

2.6 DAYA PAT (PUMP AS TURBINE)

Daya pompa yang digunakan sebagai turbin dapat dihitung dengan rumus

Keterangan:

V = tegangan yang dihasilkan (volt)

I = kuat arus yang diperoleh (ampere)

= effisiensi transmisi (berdasarkan perbandingan putaran)

g = effisiensi generator (diasumsikan sebesar 0,8)

= 0,8

2.7 DAYA AIR

Daya air dapat dihitung dengan rumus

Pair = ρ× g × H × Q

Keterangan:

= massa jenis air (1000 kg/m3)

g = gaya gravitasi (9,81 m/s2)

Heff = head effektif (m)

Q = kapasitas air (m3/s)

2.8 EFFISIENSI PAT

Effisiensi PAT (pump as turbine) diperoleh dari perbandingan nilai daya

PAT dan daya air yaitu:

100%PATPAT

air

P xP

Keterangan:

PAT = effisiensi PAT (%)

PPAT = daya PAT (Watt)

Pair = daya air (Watt)