PRINSIP KERJA GENERATOR (DINAMO)

Induksi Elektromagnetik
A. GGL Induksi

Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, membuat hipotesis (dugaan) bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik. Untuk membuktikan kebenaran hipotesis Faraday.
Berdasarkan percobaan, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Penyimpangan jarum galvanometer tersebut menunjukkan bahwa pada kedua ujung kumparan terdapat arus listrik. Peristiwa timbulnya arus listrik seperti itulah yang disebut induksi elektromagnetik. Adapun beda potensial yang timbul pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.
Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan makin banyak. Perubahan jumlah garis gaya itulah yang menyebabkan terjadinya penyimpangan jarum galvanometer. Hal yang sama juga akan terjadi jika magnet digerakkan keluar dari kumparan. Akan tetapi, arah simpangan jarum galvanometer berlawanan dengan penyimpangan semula. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa penyebab timbulnya GGL induksi adalah perubahan garis gaya magnet yang dilingkupi oleh kumparan.
Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Adapun yang dimaksud fluks nmgnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang. 

B. Generator

Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubalian energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.

Generator AC 

Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara:

• memperbanyak lilitan kumparan,
• menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.
• mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.

Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).

Generator DC 

Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).  

 C. Transformator (Trafo) 

Agar tidak berbahaya tegangan yang tinggi itu harus diturunkan terlebih dahulu sebelum arus listrik disalurkan ke rumah-rumah penduduk. Pada umumnya tegangan listrik yang disalurkan ke rumah-rumah penduduk ada dua macam, yaitu 220 volt dan 1l0 volt. Alat yang digunakan untuk menurunkan tegangan disebut transformator.
Bagian utama transformator adalah dua buah kumparan yang keduanya dililitkan pada sebuah inti besi lunak. Kedua kumparan tersebut memiliki jumlah lilitan yang berbeda. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC disebut kumparan primer, sedangkan kumparan yang lain disebut kumparan sekunder.
Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan AC (dialiri arus listrik AC), besi lunak akan menjadi elektromagnet. Karena arus yang mengalir tersebut adalah arus AC, garis-garis gaya elektromagnet selalu berubah-ubah. Oleh karena itu, garis-garis gaya yang dilingkupi oleh kumparan sekunder juga berubah-ubah. Perubahan garis gaya itu menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Hal itu menyebabkan pada kumparan sekunder mengalir arus AC (arus induksi). 

 

Berdasarkan rumus di atas kita dapat rnembedakan transformator menjadi dua macam. yaitu transformator step up dan transformator step down. Transformator .step up adalah transformator yang jumlah lilitan primernya lebih kecil dari pada lilitan sekunder. Oleh karena itu, transformator step up dapat digunakun untuk menaikkan tegangan AC. 

Sumber: www.crayonpedia.org/

MEMBUAT TURBIN AIR

Pelaksanaan Elektrikalmekanikal

1. Pemilihan Turbin   Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerjanya , turbin air dibagi menjadi dua kelompok: v     Turbin impuls (cross-flow, pelton & turgo) untuk jenis ini, tekanan pada setiap sisi sudu geraknya lrunnernya - bagian turbin yang berputar - sama. v     Turbin reaksi ( francis, kaplanlpropeller) Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut Keller2 dikelompokkan menjadi:   Low head powerplant: dengan tinggi jatuhan air (head) :S 10 M3 Medium head power plant:: dengan tinggi jatuhan antara low head dan high-head High head power plant: dengan tinggi jatuhan air yang memenuhi persamaan   H ≥ 100 (Q)0-113   dimana, H =head, m Q = desain debit, m 31s   Secara umum hasil survey lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTMH dengan tinggi jatuhan (head) 6 - 60 m, yang dapat dikattegoirikan pada head rendah dan medium.   Tabel Daerah Operasi Turbin Jenis Turbin Variasi Head, m Kaplan dan Propeller 2 < H < 20 Francis 10 < H < 350 Peiton 50 < H < 1000 Crossfiow 6 < H < 100 Turgo 50 < H < 250   2. Kriteria Pemilihan Jenis Turbin   Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu : v     Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah. v     Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. v     Kecepatan (putaran) turbin ang akan ditransmisikan ke generator. Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi. Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns", yang didefinisikan dengan formula:   Ns = N x P0.51W .21   dimana :   N = kecepatan putaran turbin, rpm P = maksimum turbin output, kW H = head efektif , m   Output turbin dihitung dengan formula:   P=9.81 xQxHx qt         (2)   dimana   Q         = debit air, m 3 ldetik H         = efektif head, m ilt          = efisiensi turbin             = 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton             = 0.8 - 0.9 untuk turbin francis             = 0.7 - 0.8 untuk turbin crossfiow             = 0.8 - 0.9 untuk turbin propellerlkaplan Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Turbin pelton 12≤Ns≤25 TurbinFrancis 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. Beberapa formula yang dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu : Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/H0.243 (Siervo & Lugaresi, 1978) Turbin Francis Ns = 3763/H0.854 (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Kaplan Ns = 2283/H0.486 (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Crossfiow Ns = 513.25/H0.505 (Kpordze & Wamick, 1983) Turbin Propeller Ns = 2702/H0.5 (USBR, 1976)  Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).   Pada perencanaan PLTMH ini, pilihan turbin yang cocok untuk lokasi yang tersedia adalah : Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah s.d 6 m Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m. Pemilihan jenis turbin tersebut berdasarkan ketersediaian teknologi secara lokal dan biaya pembuatan/pabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya seperti pelton dan francis. Jenis turbin crosstlow yang dipergunakan pada perencanaart ini adalah crossfiow T-14 dengan diameter runner 0.3 m. Turbin tipe ini memiliki efisiensi maksimum yang baik sebesar 0.74 dengan efisiensi pada debit 40% masih cukup tinggi di atas 0.6. Sementara untuk penggunaan turbin propeller open flume pabrikasi lokal ditetapkan efisiensi turbin sebesar 0.75.   Penggunaan kedua jenis turbin tersebut untuk pembangkit tenaga air skala mikro (PLTMH), khususnya crossfIlow T-14 telah terbukti handai di lapangan dibandingkan jenis crossfiow lainnya yang dikembangkan oleh berbagai pihak (lembaga penelitian, pabrikan, import).   Putaran turbin baik propeller open flume head rendah dan turbin crossflow memiliki kecepatan yang rendah. Pada sistem mekanik turbin digunakan transmisi sabuk flatbelt dan pulley untuk menaikkan putaran sehingga sama dengan putaran generator 1500 rpm. Efisiensi sistem transmisi mekanik flat belt diperhitungkan 0.98. Sementara pada sistem transmisi mekanik turbin propeller open flume menggunakan sabuk V, dengan efisiensi 0.95. Diagram Aplikasi berbagai jenis Turbin (Head Vs Debit)   Tabel Putaran Generator Sinkron (rpm)   Jumlah Pole (kutub) Frekuensi , 50 Hz 2 3000 4 1500 6 1000 8 750 10 600 12 500 14 429   Tabel Run-away speed Turbin, N maks/N Jenis Turbin Putaran Nominal, N (rpm) Runaway speed Semi Kaplan, single regulated 75-100 2-2.4 Kaplan, double regulated 75-150 2.8-3.2 Small-medium Kaplan 250-700 2.8-3.2 Francis (medium & high head) 500-1500 1.8-2.2 Francis (low head) 250-500 1.8-2.2 Pelton 500-1500 1.8-2 Crossflow 100-1000 1.8-2 Turgo 600-1000 2 2. Pemilihan Generator dan Sistem Kontrol Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini adalah : v     Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing). v     Induction Motor sebagai Generator (IMAG) sumbu vertikal, pada perencanaan turbin propeller open flume Spesifikasi generator adalah putaran 1500 rpm, 50 Hz, 3 phasa dengan keluaran tegangan 220 V/380 V. Efisiensi generator secara umum adalah v     Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 - 0.8 v     Aplikasi 10 - 20 KVA efisiensi 0.8 - 0.85 v     Aplikasi 20 - 50 KVA efisiensi 0.85 v     Aplikasi 50 - 100 KVA efisiensi 0.85 - 0.9 v     Aplikasi >. - 100 KVA efisiensi 0.9 - 0.95 Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini menggunakan pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan ke sistem pemanas udara (air heater) yang dikenal sebagai ballast load/dumy load.   Sistem pengaturan beban yang digunakan pada perencanaan ini adalah v     Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaan generator sinkron v     Induction Generator Controller (IGC) untuk penggunaan IMA Sistem kontrol tersebut telah dapat dipabrikasi secara lokal, dan terbukti handal pada penggunaan di banyak PLTMH. Sistem kontrol ini terintegrasi pada panel kontrol (switch gear).   Fasillitas operasi panel kontrol minimum terdiri dari v     Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manual v     Stop/berhenti secara otomatis v     Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under frekuensi. v     Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)   Notes: Keller, S.: Triebwasserweg und spezifische Probleme von Hochdruckanlagen. In: Kleinwasserkraftwerke, Projektierung und Entwurf Published by Prof. Dr. S. Radler, University for Soil Culture, Intitute for Water Management, Vienna, 1981

ALAT PEMBAGI BEBAN GENERATOR

Listrik seperti kita ketahui adalah bentuk energi sekunder yang paling praktis penggunaannya oleh manusia, di mana listrik dihasilkan dari proses konversi energi sumber energi primer seperti batu bara, minyak bumi, gas, panas bumi,  potensial air dan energi angin.
Sistem pembangkitan listrik yang sudah umum digunakan adalah mesin generator tegangan AC, di mana penggerak utamanya bisa berjenis mesin turbin, mesin diesel atau mesin baling-baling. Dalam pengoperasian pembangkit listrik dengan generator, karena faktor keandalan dan fluktuasi   jumlah beban, maka disediakan dua atau lebih generator yang dioperasikan dengan tugas terus-menerus, cadangan dan bergiliran untuk generator-generator tersebut.
Penyediaan generator tunggal untuk pengoperasian terus menerus adalah suatu hal yang riskan, kecuali bila bergilir dengan sumber PLN atau peralatan UPS.
Untuk memenuhi peningkatan beban listrik maka generator-generator tersebut dioperasikan secara paralel antar generator atau paralel generator dengan sumber pasokan lain yang lebih besar misalnya dari PLN.
Sehingga diperlukan pula alat pembagi beban listrik  untuk mencegah adanya sumber tenaga listrik terutama generator  yang bekerja paralel mengalami beban lebih mendahului yang lainnya.

Operasi Generator Secara Paralel

Pasokan listrik ke beban dimulai dengan menghidupkan satu generator, kemudian secara sedikit demi sedikit beban dimasukkan sampai dengan kemampuan generator tersebut, selanjutnya menghidupkan lagi generator berikutnya dan memparalelkan dengan generator pertama untuk memikul  beban yang lebih besar lagi. Saat generator kedua  diparalelkan dengan generator pertama yang sudah memikul beban diharapkan terjadinya pembagian beban yang semula  ditanggung generator pertama, sehingga terjadi kerjasama yang meringankan sebelum beban-beban selanjutnya dimasukkan. Seberapa besar pembagian beban yang ditanggung oleh masing-masing generator yang bekerja paralel akan tergantung jumlah masukan bahan bakar dan udara untuk pembakaran mesin diesel, bila mesin penggerak utamanya  diesel atau bila mesin-mesin penggeraknya lain maka tergantung dari jumlah (debit) air ke turbin air, jumlah (entalpi) uap/gas ke turbin uap/gas atau debit aliran udara ke mesin baling-baling.
Jumlah  masukan bahan bakar/ udara, uap air/ gas atau aliran udara ini diatur oleh peralatan atau katup yang digerakkan governor yang menerima sinyal dari perubahan frekuensi listrik yang stabil pada 50Hz,
yang ekivalen dengan perubahan putaran (rpm) mesin penggerak utama generator listrik. Bila beban listrik naik maka frekuensi akan turun, sehingga governor harus memperbesar masukan ( bahan bakar/udara, air, uap/gas atau aliran udara) ke mesin penggerak utama  untuk menaikkan  frekuensinya sampai dengan frekuensi listrik kembali  ke normalnya. Sebaliknya bila beban turun, governor  mesin-mesin pembangkit harus mengurangi masukan bahan bakar/udara, air, uap air/gas atau aliran udara ke mesin-mesin penggerak sehingga putarannya turun sampai  putaran normalnya atau frekuensinya kembali normal pada  50 Hz.  Bila tidak ada governor maka mesin-mesin penggerak utama generator akan mengalami overspeed bila beban turun  mendadak atau  akan mengalami overload  bila beban listrik naik.

Prinsip Alat Pembagi Beban Generator

Governor  beroperasi pada mesin penggerak sehingga  generator menghasilkan keluaran arus yang dapat diatur  dari 0 % sampai dengan 100% kemampuannya. Jadi masukan ke mesin penggerak sebanding dengan keluaran arus generatornya atau dengan kata lain pengaturan governor 0 % sampai dengan 100 % sebanding dengan arus generator 0% sampai dengan 100 % pada tegangan dan frekuensi yang konstan.
Governor bekerja secara hidrolik/mekanis, sedangkan sinyal masukan dari keluaran arus generator berupa elektris, sehingga masukan ini perlu diubah ke mekanis dengan menggunakan elektric actuator untuk menggerakkan  motor listrik yang menghasilkan gerakan mekanis yang diperlukan oleh governor. Pada beberapa generator yang beroperasi paralel, setelah sebelumnya disamakan tegangan, frekuensi, beda phasa dan urutan phasanya, perubahan beban listrik tidak akan dirasakan oleh masing-masing generator pada besaran  tegangan dan frekuensinya selama beban masih dibawah  kapasitas total paralelnya, sehingga tegangan dan frekuensi ini tidak digunakan sebagai sumber sinyal bagi governor.
Untuk itu digunakan arus keluaran dari masing-masing generator sebagai sumber sinyal pembagian beban sistem paralel generator-generator tersebut.
Saat diparalelkan pembagian beban generator belum seimbang/sebanding dengan kemampuan masing-masing  generator. Alat pembagi beban generator dipasangkan  pada masing-masing rangkaian keluaran generator, dan masing-masing alat pembagi beban tersebut dihubungkan  secara paralel satu dengan berikutnya dengan kabel untuk menjumlahkan sinyal arus keluaran masing-masing  generator dan menjumlahkan sinyal kemampuan arus masing-masing generator.
Arus keluaran generator yang dideteksi oleh alat pembagi beban  akan merupakan  petunjuk  posisi governor berapa % , atau arus yang lewat berapa % dari kemampuan generator.  Hasil bagi dari penjumlahan arus yang dideteksi alat-alat pembagi beban dengan jumlah arus kemampuan generator -generator  yang beroperasi paralel dikalikan 100 (%)  merupakan nilai posisi governor yang  harus dicapai  oleh setiap  mesin penggerak utama sehingga menghasilkan  keluaran arus yang proprosional dan sesuai dengan kemampuan masing-masing generator.
Bila ukuran generator sama maka jumlah arus yang dideteksi oleh masing-masing alat pembagi beban dibagi jumlah generator merupakan arus beban yang harus  dihasilkan  oleh generator setelah  governornya diubah oleh electric actuator yang menerima sinyal dari alat pembagi beban sesaat setelah generator diparalelkan .

Instalasi Teknis

Dalam prakteknya alat pembagi beban generator dipasang dengan bantuan komponen-komponen seperti berikut : trafo arus, trafo tegangan (sebagai pencatu daya), electric actuator,  potensiometer pengatur kecepatan  dan saklar-saklar bantu. Lihat diagram pengkabelannya dalam  Gambar 1.

1. Trafo arus berfungsi sebagai transducer arus keluaran generator sampai dengan sebesar arus sinyal yang sesuai  untuk alat pembagi beban generator (biasanya maksimum 5 A  atau = 100 % kemampuan maksimum generator)
2. Trafo tegangan berfungsi sebagai sumber daya bagi alat pembagi beban, umumnya dengan tegangan 110 V AC, 50 Hz;  dibantu adapter untuk keperluan tegangan DC.
3. Electric actuator merupakan peralatan yang menerima sinyal dari alat pembagi beban sehingga mampu  menggerakkan motor DC di governor sampai dengan arus keluaran generator mencapai yang diharapkan.
4. Potensiometer pengatur kecepatan adalah alat utama  untuk mengatur frekuensi dan tegangan saat generator  akan diparalelkan atau dalam proses sinkronisasi. Tegangan  umumnya sudah diatur oleh AVR, sehingga naik turunnya tegangan hanya dipengaruhi oleh kecepatan putaran mesin penggerak. Setelah generator dioperasikan paralelkan atau sudah sinkron dengan yang telah beroperasi kemudian  menutup Mccb generator, fungsi potensiometer pengatur kecepatan ini diambil alih oleh alat pembagi beban generator. Untuk lebih akuratnya pengaturan kecepatan dalam proses sinkronisasi secara manual, biasanya terdapat potensiometer pengatur halus dan potensiometer pengatur kasar. 
5. Pada sistem kontrol otomatis pemaralelan generator dapat dilakukan oleh SPM (modul pemaralel generator) dengan mengatur tegangan dan frekuensi keluaran dari generator, kemudian mencocokan dengan tegangan dan frekuensi  sistem yang sudah bekerja secara otomatis, setelah cocok  memberikan sinyal penutupan ke Mccb generator sehingga bergabung dalam operasi paralel. Untuk mencocokkan tegangan dan frekuensi dapat dilihat dalam satu panel sinkron yang digunakan bersama untuk beberapa generator  dimana masing-masing panel generator mempunyai saklar sinkron disamping SPM-nya.

   Dalam Gambar 2

ditunjukkan  penggunaan alat pembagi beban generator dalam  suatu sistem kontrol tenaga generator, kontrol mesin penggerak dan managemen beban.(file power generation control).
f. Saklar-saklar bantu pada alat pembagi beban generator  berfungsi sebagai alat manual proses pembagian  (pelepasan & pengambilan) beban  oleh suatu generator yang beroperasi dalam sistem paralel.  Misalnya *saklar 1 ditutup untuk meminimumkan  bahan bakar  diesel yang berarti melepaskan beban.* Saklar 3 ditutup untuk menuju pada kecepatan  kelasnya (rated speed) yang berarti pengambilan beban dari generator yang perlu diringankan beban listriknya.
Setelah generator beroperasi secara paralel,  generator-generator dengan alat pembagi bebannya  selalu merespon secara aktif segala tindakan  penaikan atau  penurunan beban listrik, sehingga masing-masing generator menanggung beban dengan  prosentasi yang sama  diukur dari kemampuan  masing-masing

Kesimpulan

1. Alat pembagi beban generator merupakan peralatan otomatis yang  menyeragamkan operasi governor dalam menaikkan atau menurunkan  power mesin atau  daya generator sesuai perubahan bebannya, dan sangat diperlukan bila  memiliki lebih dari dua generator dengan karakteristik yang berbeda  yang beroperasi secara paralel.
2. Dengan alat pembagi beban generator, maka setiap generator  mempunyai faktor penggunaan (beban maksimum dibagi kapasitas generator) yang sama dan kecil yang berarti bagus.
3. Perubahan beban akibat pemasukan atau pengeluaran generator dari sistem paralel generator-generator akan  dirasakan sama oleh setiap generator dalam sistem tsb , tanpa overload atau overspeed.
4. Alat pembagi beban generator hanya bisa diterapkan  pada  generator set-engine yang mempunyai governor dan bisa  dikembangkan untuk sistem kontrol yang lebih lanjut  seperti kontrol dengan  distributed control system (DCS). q

Daftar Pustaka

1. 300 KW SEBP1384, Caterpillar Parts, 3412 Generator Set Engine
2. Woodward Engine Control, USA 9704825811
3. Power station engineering and economy, Bernhardt G.A. Skrotzki and William A Vopat

Ir. Kondang HADISASONO, IP
PENGAMAT TEKNOLGI
Koordinator Lembaga Konsumen Listrik Indonesia Gambar 1 Connection diagram for load sharing and speed control pada generator 393 KVA, 3ph, 380V,50Hz  yang diparalelkan  dengan panel untuk 3 unit generator.
Gambar 2 Power generation control, Electro hydraulic governor for multiple  unit, total engine control and load management.

PENGHUBUNG MESIN PENGGERAK DENGAN GENERATOR

Agar dapat menghasilkan listrik yang berkualitas tinggi ( tegangan dan frekuensinya stabil ), maka generator harus bekerja pada kecepatan putar ( rpm ) tertentu sesuai rekomendasi pabrik. Agar dapat berputar, generator harus dihubungkan dengan mesin penggerak yang dapat berupa motor bakar, turbin air, turbin uap, kincir angin, kincir air, dsb. Agar pembangkit listrik memiliki kinerja dan efisiensi maksimal, perlu didesain sedemikian rupa sehingga mesin penggerak maupun generator bekerja pada kecepatan putar ideal ( peak speed ) masing-masing. Untuk mencapai keadaan ideal tersebut, diperlukan jenis penghubung yang sesuai dengan perbandingan kecepatan antara shaft mesin penggerak dengan shaft generator. Adapun perbandingan kecepatan putar tersebut ada 3 macam yaitu :









1. Kecepatan putar mesin penggerak sama dengan kecepatan putar generator.
Untuk keadaan ini, dapat digunakan sambungan langsung dimana poros mesin penggerak tersambung langsung ( coaxis ) dengan poros generator yang lazim digunakan pada genset motor bensin portable. Alternatif kedua, dapat digunakan direct couple seperti yang digunakan pada mesin pemotong rumput. Alternatif ketiga, dapat digunakan sambungan tidak langsung yaitu sistim pulley-belt atau sistim gear-rantai atau sistim gear to gear ( diameter kedua pulley atau jumlah gigi kedua gir musti sama ).
2. Kecepatan putar mesin penggerak lebih rendah daripada kecepatan putar generator.
Untuk keadaan ini, diperlukan sistim multiplikasi putaran sebagai penghubung. Jika perbedaan kecepatan putar tersebut tidak terlalu jauh ( lebih dari 1 : 3 ), dapat digunakan sistim multiplikasi tunggal yang cukup sederhana. Adapun sistim multiplikasi tersebut dapat berupa sistim pulley-belt yang terdiri dari sebuah pulley besar pada shaft mesin penggerak dan sebuah pulley kecil pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah belt. Alternatif kedua, dapat berupa sistim gear-rantai yang terdiri dari sebuah gear ( sproket ) besar pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear ( sproket ) kecil pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah rantai. Alternatif ketiga, dapat berupa sistim gear to gear yang terdiri dari sebuah gear besar pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear kecil pada shaft generator yang saling bersinggungan.
Jika perbedaan kecepatan putar tersebut cukup jauh ( kurang dari 1 : 3 ), perlu digunakan sistim multiplikasi bertingkat yang cukup rumit. Untuk keperluan itu, dapat digunakan gear box type HELICAL sebagai salah satu alternatif yang banyak dipakai. Sedangkan gear box type WORM tidak dapat dipakai untuk sistim multiplikasi karena bersifat irreversibel ( tidak dapat dibalik ). Alternatif lain, dapat juga digunakan sistim pulley-belt bertingkat atau sistim gear-rantai bertingkat. Adapun banyaknya tingkat, tergantung dari Total Multiplication Ratio ( TMR ) yang diperlukan.
3. Kecepatan putar mesin penggerak lebih tinggi daripada kecepatan putar generator.
Untuk keadaan ini, diperlukan sistim pereduksi putaran sebagai penghubung. Jika perbedaan kecepatan putar tersebut tidak terlalu jauh ( kurang dari 3 : 1 ), dapat digunakan sistim pereduksi tunggal yang cukup sederhana. Adapun sistim pereduksi tersebut dapat berupa sistim pulley-belt yang terdiri dari sebuah pulley kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah pulley besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah belt. Alternatif kedua, dapat berupa sistim gear-rantai yang terdiri dari sebuah gear ( sproket ) kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear ( sproket ) besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah rantai. Alternatif ketiga, dapat berupa sistim gear to gear yang terdiri dari sebuah gear kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear besar pada shaft generator yang saling bersinggungan.
Jika perbedaan kecepatan putar tersebut cukup jauh ( lebih dari 3 : 1 ), perlu digunakan sistim pereduksi bertingkat yang cukup rumit. Untuk keperluan itu, dapat digunakan gear box baik yang type HELICAL maupun type WORM sebagai salah satu alternatif yang banyak dipakai. Alternatif lain, dapat juga digunakan sistim pulley-belt bertingkat atau sistim gear-rantai bertingkat. Adapun banyaknya tingkat, tergantung dari Total Reduction Ratio ( TRR ) yang diperlukan.
Pada sebagian besar pembangkit listrik, kecepatan putar mesin penggerak tidak sama dengan kecepatan putar generator. Oleh karena itu, salah satu hal yang harus dilakukan dalam perencanaan sistim pembangkit listrik adalah menjembatani perbedaan kecepatan putar ( rpm ) ideal antara shaft generator dengan shaft turbin. Untuk itu, perlu dibuat desain suatu sistim pereduksi atau sistim multiplikasi yang berfungsi mentranformasi kecepatan putar ideal shaft turbin menjadi kecepatan ideal shaft generator tanpa banyak kehilangan daya. Secara prinsip, sistim pereduksi atau sistim multiplikasi adalah semua sistim mekanik mulai dari pulley atau gear yang terpasang pada shaft turbin, kemudian gear box ( jika ada ), sampai dengan pulley atau gear yang terpasang pada generator. Jadi bukan hanya gear box saja yang merupakan bagian dari sistim pereduksi atau sistim multiplikasi putaran. Demikian juga sebaliknya, sistim pereduksi atau sistim multiplikasi putaran tidak selalu berupa gear box.
Adapun perbedaan antara sistim pereduksi dan sistim multiplikasi adalah pada transformasi kecepatan yang dihasilkannya. Sistim pereduksi mentransformasikan kecepatan putar tinggi menjadi kecepatan putar yang lebih rendah. Sedangkan sistim multiplikasi mentransformasikan kecepatan putar rendah menjadi kecepatan putar yang lebih tinggi. Sistim pereduksi digunakan jika kecepatan putar mesin penggerak ( termasuk turbin ) lebih tinggi daripada kecepatan putar generator. Situasi seperti itu lazim ditemui pada PLTA, PLTU, PLTGU, dan PLTP. Sedangkan sistim multiplikasi digunakan jika kecepatan putar mesin penggerak lebih rendah daripada kecepatan putar generator. Situasi seperti itu lazim ditemui pada PLTMH yang menggunakan kincir lintasan sebagai tenaga penggerak. Dalam artikel ini hanya akan dibahas tentang sistim pereduksi saja. Adapun sistim multiplikasi akan dibahas dalam artikel tersendiri jika ada yang request.

SISTIM PEREDUKSI PUTARAN
Sistim pereduksi putaran yang dibahas di bawah ini dapat diterapkan pada semua jenis pembangkit listrik maupun pada proyek lainnya yang memerlukan sistim pereduksi putaran secara umum.
Untuk dapat menentukan jenis pereduksi yang paling tepat dengan kebutuhan, perlu diketahui dulu data teknis dari mesin penggerak dan generator yaitu antara lain :
a. Kecepatan putar mesin penggerak ( rpm ) yang memberikan efisiensi konversi tertingi ( peak speed ). Kalau diinginkan, boleh juga bukan peak speed ( biasanya diatasnya peak speed ) dengan maksud untuk memperoleh output daya yang lebih besar namun harus rela mengorbankan sedikit efisiensi.
b. Kecepatan putar generator ( rpm ) yang direkomendasikan oleh pabrik. Kecepatan putar generator musti mengikuti standar dengan toleransi sekitar 2-5 % saja. Jika terlalu tinggi atau terlalu rendah melewati batas toleransinya, maka kualitas listrik yang dihasilkan akan berkualitas rendah ( tegangan dan frekuensinya tidak sesuai standar ).
c. Daya yang yang dihasilkan mesin penggerak ( watt atau HP ) pada kecepatan kerja yang ditetapkan pada bagian a di atas
d. Daya dari generator ( watt atau HP ) pada kecepatan kerja yang direkomendasikan pabrik pada bagian b di atas
Setelah semua data bagian a-b-c-d tersebut di atas telah lengkap, maka langkah selanjutnya adalah melakukan analisis dan kalkulasi dengan mengikuti langkah-langkah berikut :
1. Memastikan bahwa daya mesin penggerak ( data c ) musti 5-10 % lebih besar dari pada daya generator ( data d ) agar sistem dapat bekerja normal sesuai harapan. Hal itu disebabkan oleh kehilangan daya akibat adanya slip dan atau gesekan pada sistim mekanik seperti bearing, gear, belt, rantai, dsb. Kehilangan daya tersebut bisa mencapai 5-10 persen dari daya total. Jika ternyata daya mesin penggerak tidak lebih besar daripada daya generator, maka musti dilakukan penggantian / perubahan rencana. Alternatif pertama adalah memperbesar daya mesin penggerak jika memungkinkan. Alternatif kedua adalah mengganti generator dengan daya yang lebih kecil.
2. Menghitung Total Reduction Ratio ( TRR ) ideal yang diperlukan berdasarkan data a dan b di atas.
3. Setelah mendapatkan TRR ideal, langkah selanjutnya adalah mendesain rangkaian sistim pereduksi yang memiliki TRR aktual yang sama dengan TRR ideal. Jika tidak bisa diperoleh yang betul-betul sama, maka bisa digunakan TRR aktual sedikit di atas TRR ideal denan toleransi maksimal 5 %. Adapun pemilihan jenis sistim pereduksi yang akan digunakan, perlu mempertimbangan besar kecilnya TRR dengan pedoman sebagai berikut :
• Jika TRR kurang dari 3, dapat digunakan sistim pereduksi sederhana ( lihat gambar ). Adapun sistim pereduksi tersebut dapat berupa sistim pulley-belt yang terdiri dari sebuah pulley kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah pulley besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh belt. Alternatif kedua, dapat berupa sistim gear-rantai yang terdiri dari sebuah gear ( sproket ) kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear ( sproket ) besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh rantai.
• Jika TRR lebih dari dari 3, perlu digunakan sistim pereduksi bertingkat yang lebih rumit. Untuk keperluan itu, dapat digunakan sistim pereduksi bertingkat baik sistim pulley-belt maupun sistim gear-rantai. Adapun banyaknya tingkat, tergantung dari TRR yang diperlukan. Jika TRR kurang dari 3, cukup satu tingkat. Jika TRR antara 3 dan 9, bisa 2 tingkat. Jika TRR antara 9 dan 27, bisa 3 tingkat. Dan jika TRR lebih dari 9, perlu dipertimbangkan penggunaan gear box agar tidak terlalu rumit. Adapun gear box yang dapat digunakan dapat dipilih yang type HELICAL maupun type WORM. Selain harus memilih rasio yang tepat, pemilihan gear box juga wajib memperhitungkan kekuatan yang harus dipikulnya agar tahan lama dan efisien. Gear box yang terlalu kecil, akan cepat rusak. Kalau terlalu besar, boros biaya dan tidak efisien karena banyak kehilangan daya. Mengenai type gear box, yang type HELICAL relatif lebih aman dari pada type WORM jika digunakan untuk memutar beban yang mempunyai momentum anguler yang besar seperti generator. Karena bersifat irreversibel, gear box type WORM bisa rontok jika belt penghubung turbin dan gear box putus ketika sedang berputar kencang . Hal itu disebabkan oleh momentum anguler generator yang akan memaksa bagian output gear box untuk tetap berputar selama beberapa saat sebelum momentumnya habis dan berhenti. Hal itu tidak akan terjadi pada gear box type HELICAL jika belt tersebut putus karena bersifat reversible. Sifat irreversible pada gear box type WORM disebabkan oleh konstruksi gearnya yang berbentuk seperti mekanik pemutar senar gitar. Dengan konstruksi seperti itu, pemutar dapat menggerakkan penggulung senar, tapi penggulung senar tidak bisa menggerakkan pemutar dan jika dipaksa bisa rontok. Gear box pada mobil apapun, semuanya type HELICAL, jadi pasti aman dipakai untuk dinamo. Tetapi dapat dipakai hanya jika rasionya cocok. Rumus untuk menghitung rasio gear box type HELICAL ( jika tidak dicantumkan rasionya ) adalah :
Sedangkan rasio gear box type WORM lebih mudah dihitung karena rasionya sama dengan jumlah gigi pada gear outputnya.
Catatan :
Jika akan menggunakan sistim pulley-belt atau sistim gear-rantai baik tunggal maupun bertingkat, ada cara menghitungnya tersendiri ( lihat contoh pada gambar ). Demikian juga jika menggunakan sistim gear-rantai, TRR aktual bisa dihitung dengan cara yang sama hanya dengan mengganti diameter pulley menjadi jumlah gigi. Hal itu tidak diuraikan panjang lebar disini karena pilihan anda sudah mengarah kepada gear box mobil yang sudah diketahui rasionya. Jika seandainya rasio gear box mobil yang akan dipakai belum diketahui, bisa dibuatkan sketsanya dan keterangan jumlah gigi-giginya serta arah putarannya untuk dihitung secara tepat rasionya. Tentu saja harus dihitung sendiri-sendiri secara terpisah untuk tiap-tiap nomor speed ( perseneling ) mulai dari perseneling 1 sampai top speed ( perseneling tertinggi ) yang tersedia. Caranya sederhana asal ada sketsa dan datanya. Saya sendiri tidak punya data tentang rasio dari gear box mobil sehingga harus menghitungnya dulu ketika membutuhkan.
Terimakasih dan salam eksperimen.