Implementasi generator

BAB I

1.1  Latar Belakang Masalah

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 yangdioperasikan dengan tugas terus-menerus, cadangan dan bergiliran untuk generator-generator tersebut.Penyediaan generator tunggal untuk pengoperasian terus menerus adalah suatu hal yangriskan, kecuali bila bergilir dengan sumber PLN atau peralatan UPS.Untuk memenuhi peningkatan beban listrik maka generator-generator tersebutdioperasikan secara paralel antar generator atau paralel generator dengan sumber pasokanlain 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 mendahuluiyang lainnya.
Berdasarkan arus yang dihasilkan, generator dapat dibedakan menjadi dua macam, 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 memiliki manfaat bagi manusia dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya untuk penerangan dan alat-alat pemanas.
Sejak abad yang lalu sudah dimulai usaha untuk mengembangkan turbin gas, tetapi kurang berhasil dan perkembangan selanjutnyapun dapat dikatakan agak lambat bila dibandingkan dengan tenaga uap yang mencapai kemajuan pesat dengan makin tingginya tekanan dan temperatur uap, dan harganya randemen turbin gas sudah jauh ketinggalan. Konstruksi dan cara kerjanya turbin gas adalah, sangat mudah bila hanya didalam kertas (gambar desain), tetapu kenyataannya bila diwujudkan sangat sukar karena ada hubungannya dengan pemakaian bahan bakar turbinharus hemat.

Akhir-akhir ini randamen dan daya yang dihasilkan turbin gas naik, karena gas yang bertemperatur tinggi telah bisa digunakan dan bekerjanya turbin langsung tergantung pada keadaan gasnya. Sekarang randemen turbin, sudah bisa mencapai sekitar 33% dengan temperatur diruang bakar dan sebelum rangkain sudut jalan pertama untuk turbin penggerak pesawat terbang adalah 12000c

1.1  Tujuan Penulisan

Dalam makalah ini dijelaskan tentang turbin air yang biasanya digunakan oleh pembangkit listrik yang berskala kecil atau daerah. Tujuan dari makalah ini adalah untuk mengemukakan beberapa paparan tentang mesin turbin.

1.2  Batasan Masalah

Dalam makalah ini akan membahas tentang Generator AC secara umum meliputi : pengertian Generator, pengertian mesin turbin, cara kerja mesin turbin, bagian-bagian dari mesin turbin.

BAB II

A.                Pengertian Generator

Generator adalah salah satu komponen yang dapat mengubah energi gerak menjadi energilistrik.Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan teori medan elekronik. Poros pada generator dipasangdengan material ferromagnetic permanen.Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop.Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan tegangan dan aruslistrik tertentu.Tegangan dan arus listrik yang dhasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik.

Berdasarkan arus yang disalurkangenerator menjadi 2 jenis yaitu generator AC (bolak balik) dangenerator DC(searah).Generator AC merupakan komponen yang dapat mengubah energy gerak menjadienergi listrik.Penggunaan generator saat ini dapat dimanfaakan sebagai pembangkit listrik.

B.                 Sejarah Turbin Air

Pada umumnya semua turbin air hingga akhir abad 19 (termasuk kincir air) merupakan mesin reaksi; tekanan air yang berperan pada mesin dan menghasilkan kerja. Sebuah turbin reaksi membutuhkan air yang penuh dalam proses transfer energi.

Pada tahun 1866, tukang pembuat gilingan di California, Samuel Knight menemukan sebuah mesin yang mengerjakan tuntas sebuah konsep yang berbeda jauh. Terinspirasi dari system jet tekanan tinggi yang digunakan dalam lapangan pengeboran emas hidrolik, Knight mengembangkan ceruk kincir yang dapat menangkap energi dari semburan jet, yang ditimbulkan dari energi kinetik air pada sumber yang cukup tinggi (ratusan kaki) yang dialirkan melalui sebuah pipa saluran. Turbin ini disebut turbin impulse atau turbin tangensial. Aliran air mendorong ceruk disekeliling kincir turbin pada kecepatan maksimum dan jatuh keluar sudu dengan tanpa kecepatan.

Pada tahun 1879, Lester Pelton, melakukan percobaan dengan kincir Knight, dikembangkanlah desain ceruk ganda yang membuang air kesamping, menghilangkan beberapa energi yang hilang pada kincir Knight yang membuang sebagian air kembali melawan kincir. Sekitar tahun 1895, William Doble mengembangkan ceruk setengah silinder milik Pelton menjadi ceruk berbentuk bulat memanjang, termasuk sebuah potongan didalamnya yang memungkinkan semburan untuk membersihkan masukan ceruk. Turbin ini merupakan bentuk modern dari turbin Pelton yang saat ini dapat memberikan efisiensi hingga 92%. Pelton telah memprakarsai desain yang efektif, kemudian Doble mengambil alih perusahaan Pelton dan tidak mengganti namanya menjadi Doble karena nama Pelton sudah dikenal.

Ján Andrej Segner mengembangkan turbin air reaksi pada pertengahan tahun 1700. turbin ini mempunyai sumbu horizontal dan merupakan awal mula dari turbin air modern. Turbin ini merupakan mesin yang simpel yang masih diproduksi saat ini untuk pembangkit tenaga listrik skala kecil. Segner bekerja dengan Euler dalam membuat teori matematis awal untuk desain turbin. Pada tahun 1820, Jean-Victor Poncelet mengembangkan turbin aliran kedalam.

      Pada tahun 1826, Benoit Fourneyon mengembangkan turbin aliran keluar. Turbin ini sangan efisien (~80%) yang mengalirkan air melalui saluran dengan sudu lengkung satu dimensi. Saluran keluaran juga mempunyai lengkungan pengarah.

      Pada tahun 1844, Uriah A. Boyden mengembangkan turbin aliran keluar yang meningkatkan performa dari turbin Fourneyon. Bentuk sudunya mirip dengan turbin Francis.

      Pada tahun 1849, James B. Francis meningkatkan efisiensi turbin reaksi aliran kedalam hingga lebih dari 90%. Dia memberikan test yang memuaskan dan mengembangkan metode engineering untuk desain turbin air. Turbin Francis dinamakan sesuai dengan namanya, yang merupakan turbin air modern pertama. Turbin ini masih digunakan secara luas di dunia saat ini.

C.    Pengertian Turbin Air

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan.

D.    Macam Turbin Air

Turbin air dapat diklafikasikan berdasarkan beberapa cara, namun yang paling utama adalah klasifikasi turbin air berdasarkan cara turbin air tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini, maka turbin air di bagi menjadi dua yaitu :

1.      Turbin impuls

Turbin impuls adalah turbin air yang bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan ) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menjadi energi puntir.

Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuk sudut yang membuat aliran turbin. Hasil perubahan momentum (impuls) disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sejak turbin berputar, gaya berputar melalui kerja dan mengalihkan aliran air dengan mengurangi energi.

Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya.

Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls.

Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi.

Contoh : Turbin pelton Turgo dan Michell-Banki (juga dikenal sebagai turbin crossflow atau ossberger).

2.   Turbin reaksi

Turbin reaksi adalah turbin air yang bekerjanya dengan mengubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir.Turbin reaksi digerakkan dengan air, yang merubah tekanan sehingga melewati turbin dan menaikkan energi. Turbin reaksi harus menutup untuk mengisi tekanan air (pengisap) atau mereka harus sepenuhnya terendam dalam aliran air.

Hukum ketiga Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin reaksi. Turbiin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium

Contoh : Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo dan Kincir air

Kincir Air

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:

-         Turbin impuls (cross-flow, pelton & turgo)

untuk jenis ini, tekanan pada setiap sisi sudu geraknya lrunnernya - bagian turbin yang berputar - sama.

-            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 :

-                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.

-            Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia.

-                 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        

   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 :

1. Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah s.d 6 m
2. Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m

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

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 :

-              Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing).

-               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

-               Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 - 0.8

-               Aplikasi 10 - 20 KVA efisiensi 0.8 - 0.85

-               Aplikasi 20 - 50 KVA efisiensi 0.85

-               Aplikasi 50 - 100 KVA efisiensi 0.85 - 0.9

-               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

-               Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaan generator sinkron

-               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

-               Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manual

-               Stop/berhenti secara otomatis

-               Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under frekuensi.

-               Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)

E.                 Cara Membuat Mesin Turbin

Bahan-bahan:
Besi plat (tebal 0.9-1 mm) uk 19x19 cm.
2 bilah papan panjang 22 cm lebar (umumnya) 19.5 cm.
50 cm pipa pralon 2 in.
2 bh. bearing no 608ZZ.
1 btg. baut 4 mm (panjangnya 1 m) + 12 mur.
1 btg. baut 6 mm (panjangnya 1 m) + 10 mur: sebagai as.
Mata bor kipas 10 mm dan 21 mm. Mata bor besi 4 mm, 6 mm dan 8 mm (atau beli yg satu set, lebih murah).
Sedikit seng aluminium tipis.
½ kg resin dan 1ons katalis fiberglas.

Cara membuat turbinnya:

1.       Bentuklah besi plat menjadi bulat (atau oktagon bila sulit), bagi menjadi 20 sudut. Dari titik tengah ukur 5 cm, tandai di tiap 90 derajat lalu bor dengan mata bor 6 mm. Bor titik tengah dengan mata bor 8 mm.

2.      Potong baut batangan 4 mm (kunci 10) menjadi 4 bh. Potong pula baut batangan 6 mm (kunci 12) sepanjang 40 cm.

3.      Bagi pipa pralon menjadi 4 bagian memanjang. Caranya: lingkarkan kertas hvs sesuai ukuran pipa, maka dari kertas itu bagilah menjadi 4. Kemudian lingkarkan kembali dan tandai sepanjang pipa. Potong pipa 10 cm sehingga menjadi 5 batang, baru potong tiap-tiap batang menjadi 4, sehingga berjumlah 20 bh.

4.      Pasang baut 4 mm tsb, mur luar-dalam pada tiap lubang. Ukur agar tiap baut sama tinggi. Pada bagian depannya jangan dulu dikeraskan, tujuannya agar pada waktu memasang potongan pralon mudah.

5.      Pasang baut 6 mm, bagian belakang keluar 5 cm, sisanya kedepan; mur luar-dalam.

6.      Pasanglah pralon-pralon menurut gambar, dengan pola per 4 pralon, sehingga akan terdapat 4 rongga sebagai ruang untuk memasukkan resin kebagian dalam. Setelah rata, baru kencangkan mur2 nya.

7.      Campur ¼ gelas (plastik bekas) resin + 2 tetes katalis, aduk cepat. Bila kurang, boleh ditambah.

8.      Dengan kuas kecil, ulas resin ke dasar semua pralon2 luar-dalam, sekedar supaya tidak terlepas saja, tapi hanya pada salah satu plat dulu (jgn sampai mengenai baut dan mur). Biarkan sampai kering. Usahakan mengulas dengan cepat, karena resin mudah sekali mengental, apalagi bila katalis terlalu banyak.

9.      Setelah kering, ulangi langkah diatas pada plat yg lain. Kali ini ulasan resin lebih tebal dan lebih lebar kedalam (kecuali bagian pralon2 yg belum terpasang).

10.  Bila semua pralon sudah terpasang, terlapis dan kering, lepaskan keempat baut 4 mm dari plat. Guntinglah seng aluminium sepanjang diameter baut 6 mm, lebarnya setebal bearing. Lingkarkan kebaut, masukkan bearingnya, pres dengan mur sampai mentok. Berlaku untuk kedua bearing. Tujuannya agar bearing menjadi ketat menempel pada baut (as).

   F.     Skema Elektronik

G.    Cara Kerja

Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Berikut proses Pembangkit Listrik Mikrohidro merubah energi aliran dan ketinggian air menjadi energi listrik.Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin).

Di rumah instalasi, air tersebut akan menumbuk turbin. gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Selanjutnya turbin merubah energi kenetik yang disebabkan gaya jatuh air menjadi energi mekanik berupa berputamya poros turbin.

 Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. sehingga ketika baling-baling turbin berputar maka generator juga ikut berputar. Generator selanjutnya merubah energi mekanik dari turbin menjadi energi elektrik. kemudian energi listrik tersebut akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). 

BAB III

Daftar Pustaka:

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

http://ml.scribd.com/doc/46409085/generator-AC-DC

http://www.google.co.id/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CDMQFjAB&url=http%3A%2F%2Fagungchynta.files.wordpress.com%2F2007%2F03%2Fturbin-air.ppt&ei=zw6eT9OhEM_QrQf7zd1z&usg=AFQjCNFUG4VZEuOk4K7-S9ytC9E0KSG9ug

http://www.scribd.com/doc/34547383/Makalah-Turbin-Air