SISTEM SINKRONISASI GENERATOR PADA PLTU PANGKALAN SUSU 2 X 200 MW PT PLN (PERSERO) SEKTOR PEMBANGKITAN MEDAN LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Pendidikan Program Diploma III PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI oleh DESI ANINDI PUTRI SARAGIH NIM : 1305051014 JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2016 i KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan berkat dan karunia-Nya sehingga laporan Tugas Akhir ini selesai tepat pada waktunya. Laporan tugas akhir ini berjudul “Sistem Sinkronisasi Generator pada PLTU Pangkalan Susu 2 X 200 MW PT PLN Persero Sektor Pembangkitan Medan ”. Laporan ini dimaksud sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Studi Diploma III Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. Laporan tugas akhir ini disusun berdasarkan hasil pengamatan dan pengambilan data langsung di PLTU Pangkalan Susu dan juga dari beberapa buku referensi. Dalam proses analisa ini, dibutuhkan beberapa data penunjang baik berupa data spesifikasi maupun data operasi. Tentunya rangkaian ucapan terima kasih penulis haturkan teristimewa untuk kedua orangtua penulis, ayahanda dan ibunda tercinta, Sertu Efendi Saragih dan Martiana Br. Kaban yang telah banyak memberi semangat, dukungan, doa, nasehat, moril, dan materil yang tiada pernah surut sedikit pun kepada penulis sehingga laporan tugas akhir ini bisa terselesaikan. Dalam penulisan tugas akhir ini penulis banyak mendapatkan hambatan dan tantangan, namun berkat bantuan dari berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Pada kesempatan ini pula penulis mengucapkan terima kasih : 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Idham Kamil, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin; 3. Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi; 4. Ir. Burhanudin Tarigan, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan, saran dan ide kepada penulis dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini; 5. Ir. Hairanus Tarigan, M.T., Selaku dosen wali kelas EN-6B yang telah memberikan semangat dan motivasi selama proses belajar mengajar di kelas; vi 6. Bapak sandy, Bapak Prima, Bapak fandi, Bapak Mirwan, Bapak Guslin, Bapak Putut, Bapak Ade, Bapak Soni, Bapak Budi dan seluruh staff lapangan PLTU Pangkalan Susu atas bantuannya dalam pengambilan data Generator; 7. Seluruh dosen pengajar dan staff pegawai di Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi, penulis ucapkan terima kasih atas semua bimbingan, nasehat, serta didikan yang diberikan kepada penulis selama tiga tahun mengenyam pendidikan di Politeknik Negeri Medan; 8. Saudara kandung penulis Elfira Rosa Saragih, S.Kom., dan Abang ipar penulis Josapat Sinuhaji, S.Ag., yang telah banyak memberi dukungan doa, nasehat, moril kepada penulis, Teristimewa Berry Crista Danny Surbakti, A.md., yang telah membantu dan memberi semangat kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini; 9. Keluarga besar Pers Mahasiswa Politeknik Negeri Medan terimakasih untuk kebersamaannya dalam berorganisasi selama 3 tahun ini, dan juga semangat motivasinya terimakasih untuk semuanya. Hidup Pers Mahasiswa!; 10. Keluarga besar energi EN-6B terimakasih untuk kebersamaannya selama 3 tahun ini, susah, senang, konflik sudah kita rasakan sama-sama; 11. PERMATA GBKP Runggun Pasar VI Delitua yang sudah selalu mendoakan penulis dalam penyelesaian Tugas Akhir. Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih kurang sempurna dari segi sistematika maupun referensi, disebabkan keterbatasan waktu, pengetahuan, dan tenaga. Untuk itu diharapkan partisipasi semua pihak dalam menyumbang saran, ide, dan kritikan yang bersifat membangun kearah yang lebih sempurna. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi siapa saja yang membacanya. Medan, Agustus 2016 Hormat penulis, Desi Anindi Putri Saragih NIM: 1305051014 vii DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ..................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................ iii LEMBAR PENGESAHAN............................................................................. iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ............................................ v KATA PENGANTAR ...................................................................................... vi DAFTAR ISI ..................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xi DAFTAR TABEL ............................................................................................ xiv INTISARI ........................................................................................................ xv ABSTRACT ...................................................................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................1 A. Latar Belakang ....................................................................................... 1 B. Batasan Masalah ..................................................................................... 3 C. Tujuan Penulisan .................................................................................... 3 D. Manfaat Penulisan .................................................................................. 4 E. Teknik Pengumpulan Data ..................................................................... 4 BAB II PLTU PANGKALAN SUSU ...............................................................5 A. Sejarah Singkat PLTU Pangkalan Susu ................................................. 5 B. Sistem Pembangkitan PLTU Pangkalan Susu........................................ 6 1. Sistem Kelistrikan ........................................................................... 8 2. Komponen PLTU Pada Sistem Kelistrikan ..................................... 9 BAB III TEORI DASAR ..................................................................................15 A. Generator PLTU Pangkalan Susu dan Spesifikasi Alat ......................... 15 B. Konstruksi Generator ............................................................................. 20 1. Stator ............................................................................................... 23 viii a. Rangka Stator ........................................................................... 23 b. Inti Stator.................................................................................. 23 c. Alur (Slot) dan Gigi ................................................................. 23 d. Kumparan Stator ...................................................................... 23 1) Belitan Satu Lapis ................................................................ 24 2) Belitan Berlapis Ganda ........................................................ 25 2. Rotor ................................................................................................ 26 a. Slip Ring .................................................................................. 26 b. Kumparan Rotor ....................................................................... 26 c. Poros Rotor .............................................................................. 26 1) Jenis Kutub menonjol......................................................... 26 2) Jenis Kutub Silindris .......................................................... 27 C. Eksitasi Generator .................................................................................. 30 1. Sistem Eksitasi dengan Menggunakan Sikat ................................... 30 2. Sistem Eksitasi Tanpa Sikat ............................................................ 31 D. Prinsip Kerja Generator Sinkron ............................................................ 32 E. Alternator Tanpa Beban ......................................................................... 34 F. Alternator Berbeban ............................................................................... 35 1. Resistansi Jangkar ........................................................................... 35 2. Reaktansi Bocor Jangkar ................................................................. 36 3. Reaksi Jangkar................................................................................. 36 G. Tegangan Induksi Generator Sinkron .................................................... 36 H. Menentukan Parameter Generator Sinkron ............................................ 37 I. Kerja Paralel Alternator ......................................................................... 37 J. Menentukan Resistansi dan Reaktansi ................................................... 38 1. Tes Tanpa Beban ............................................................................. 38 2. Tes Hubung Singkat ........................................................................ 39 3. Tes Resistansi Jangkar .................................................................... 40 K. Syarat Paralel Generator ........................................................................ 41 L. Faktor Daya ............................................................................................ 41 M. Reaksi Jangkar Generator Sinkron ......................................................... 42 ix N. Rangkaian Ekivalen Sederhana Generator Sinkron ............................... 45 O. Sistem Kerja Paralel Generator Sinkron ................................................ 49 P. Efek Pengaturan Arus Eksitasi ............................................................... 50 BAB IV SINKRONISASI GENERATOR .....................................................55 A. Pengertian Umum................................................................................... 55 B. Tujuan Sinkronisasi Generator ............................................................... 55 C. Panel Sinkronisasi PLTU Pangkalan Susu ............................................. 57 D. Syarat Paralel Generator ........................................................................ 58 1. Tegangan Harus Sama ..................................................................... 59 2. Frekuensi Harus Sama ..................................................................... 59 3. Perbedaan Fasa atau Sudut Fasa Sama ............................................ 60 a. Pengukuran Sudut Fasa dengan Synchronoscope .................... 62 E. Metode Kerja Paralel Generator............................................................. 64 1. Lampu Cahaya Berputar dan Voltmeter.......................................... 64 2. Voltmeter, Frekuensimeter, dan Synchronoscope........................... 67 3. Paralel Otomatis .............................................................................. 67 F. Langkah- Langkah Sinkronisasi PLTU Pangkalan Susu ....................... 68 G. Daya Aktif, Daya Reaktif, dan Faktor Daya yang Dihasilkan ............... 70 1. Data Spesifikasi ............................................................................... 71 2. Data Beban Harian Generator ......................................................... 71 H. Beban Aktif dan Reaktif, Arus, Tegangan, Frekuensi, dan Faktor Daya Pada Generator 1 dan 2 Sebelum Disinkronkan .................................... 74 BAB V PENUTUP .............................................................................................81 A. Simpulan ................................................................................................ 81 B. Saran ....................................................................................................... 81 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x DAFTAR GAMBAR No. Judul Gambar Halaman 1. Situasi Lapangan Pada PLTU Pangkalan Susu ............................. 5 2. Unit 1 PLTU Pangkalan Susu ....................................................... 7 3. Unit 2 PLTU Pangkalan Susu ....................................................... 7 4. Layout PLTU Pangkalan Susu ...................................................... 8 5. Generator Sinkron PLTU Pangkalan Susu .................................... 10 6. Trafo GT PLTU Pangkalan Susu .................................................. 11 7. UAT PLTU Pangkalan Susu ......................................................... 12 8. SST PLTU Pangkalan Susu .......................................................... 13 9. Switch Yard PLTU Pangkalan Susu ............................................. 14 10. Generator PLTU Pangkalan Susu ................................................. 15 11. Generator dan Casing Generator Unit 1 ........................................ 17 12. Generator dan Casing Unit 2 ......................................................... 18 13. (a) Generator AC Satu Fasa Dua Kutub ........................................ 18 (b)Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub ........................................ 18 14. Diagram Generator AC Satu Fasa Dua Kutub .............................. 19 15. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub .............................. 19 16. Konstruksi Generator Sinkron....................................................... 22 17. Fisik Stator dan Rotor ................................................................... 22 18. Bentuk-Bentuk Alur ...................................................................... 23 19. Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa .......................... 24 20. Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa .................. 25 21. Rotor Kutub Menonjol .................................................................. 27 22. Rotor Kutub Silindris .................................................................... 28 23. (a) Rotor Non Salient .................................................................. 29 (b) Penampang Stator Generator .................................................. 29 24. Eksitasi Generator ......................................................................... 30 25. Sistem Eksitasi dengan Menggunakan Sikat ................................ 31 xi 26. Sistem Eksitasi Tanpa Menggunakan Sikat .................................. 32 27. Rangkaian Tes Generator Tanpa Beban ........................................ 39 28. Rangkaian Tes Generator Dihubung Singkat ................................ 39 29. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat ............... 40 30. Pengukuran Resistansi DC ............................................................ 40 31. Segitiga Daya ................................................................................ 42 32. Model Reaksi Jangkar ................................................................... 43 33. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron ........................................ 45 34. Penyederhanaan Generator Sinkron .............................................. 46 35. Rangkaian Ekivalen Generator Sinkron Tiga Fasa ....................... 47 36. Rangkaian Ekivalen Belitan Stator Tiga Fasa ............................... 47 37. Vektor Diagram dari Beban Generator ......................................... 48 38. Karakteristik Alternator pada Saat Bekerja Paralel ...................... 49 39. Diagram Daya Reaktif dan Tegangan ........................................... 50 40. Segitiga Daya Alternator ............................................................... 52 41. Diagram Fasor Akibat Efek Pengubahan Penguatan .................... 53 42. Diagram Rumah Jika Arus Eksitasi Dinaikkan ............................. 54 43. Diagram Rumah Jika Arus Eksitasi Diturunkan ........................... 54 44. Diagram Jaringan Sinkronisasi Generator PLTU P.Susu ............. 56 45. Panel Sinkronisasi ......................................................................... 57 46. Generator yang Diparalel .............................................................. 58 47. Perbedaan Tegangan Saat akan Paralel Generator ........................ 59 48. Double Frekuensi Meter yang Digunakan saat Paralel ................. 60 49. Perbedaan Sudut Fasa dengan Metode 3 Lampu .......................... 61 50. Synchronoscope untuk Mengetahui Sudut Fasa Sama.................. 62 51. Contoh Konfigurasi Rangkaian Saat akan Paralel ........................ 63 52. Rangkaian Paralel Generator......................................................... 65 53. Rangkaian Lampu Berputar .......................................................... 66 54. Synchronoscope ............................................................................ 67 55. Eksitasi dan Sinkronisasi pada Monitor CCR ............................... 69 56. Sinkronisasi pada Monitor CCR ................................................... 69 xii 57. Kontrol Sinkronisasi ..................................................................... 70 xiii DAFTAR TABEL No. Judul Tabel Halaman 1. Data Teknis generator PLTU Pangkalan Susu .............................. 16 2. Data beban aktif dan reaktif, arus, tegangan, dan faktor daya pada generator 1 dan generator 2 sebelum disinkronkan .............. 75 xiv INTISARI Sinkronisasi generator yang dibahas adalah penggabungan 2 (dua) unit generator. Yang dibahas dalam hal ini adalah data beban aktif, beban reaktif, tegangan, frekuensi, arus, dan faktor daya masing masing unit generator yang harus sama sebelum proses sinkronisasi masuk ke jaringan distribusi. Sinkronisasi dapat dilakukan/dilaksanakan hanya jika syarat syarat parallel terpenuhi, sesuai dengan data tabel pengamatan bahwa sinkronisasi dapat berlangsung dengan data data sebagai berikut. frekuensi antara generator 1 & 2 besarnya berkisar 49 HZ dan 50, 36 Hz, kisaraan tegangan yang dihasilkan juga dalam nominal yang tidak mempunyai interval/jarak yang jauh yakni 15, 83 KV & 15,91 KV, arus sebesar 6822 A & 6013 A, besar faktor daya 0,91 & 0,88. selain itu harus diperhatikan terlebih dahulu urutan fasa yang sama, dan perbedaan sudut fasa yang sama. Dihitung pula data spesifikasi generator dan data beban harian generator yang dihasilkan oleh 2 (dua) generator tersebut. Dari hasil pembahasan, pada Tanggal 1 mei 2016 diperoleh daya aktif yang dihasilkan oleh generator unit 1 adalah 95,14583 MW, daya semu sebesar 111,9363 MVA, dan daya Reaktif sebesar 58,9661 MVAR. Sedangkan daya aktif yang dihasilkan oleh generator unit 2 adalah 189,75 MW, daya semu sebesar 223,23529 MVA, dan daya reaktif sebesar 117,59638 MVAR. Kata kunci: Sinkronisasi, Daya Aktif, Daya Semu, Daya Reaktif, Faktor Daya. xv ABSTRACT Synchronization generator is discussed merging 2 (two) units of the generator. The point which discussed is datas of active power, reactive power, voltage, frequency, current, and power factor from the generator one by one before synchronization process to distribution line. Synchronization can be implemented only if the conditions are met parallel. According to observation at data tables that synchronization can be implemented as follows the datas below. Frequency between generator 1 & 2 about 49 HZ and 59,26 HZ The range of voltage which is be produced is not at the big range it’s about 15, 83 KV & 15,91 KV, current is about 6822 A & 6013 A, nominal of power factor is about 0,91 & 0,88. Beside that must be known first that phase sequence must be same, and phase angle difference must be same. Also calculated about specification data of generator and daily power both of generator . Discussion from the results on may 1 2016, obtained active power of the first generator is 95,14583 MW, total power is 111,9363 MVA, and reactived power is 58,9661 MVAR. Eventhough active power that produce by the second generator is obtained 189,75 MW, total power is 223,23529 MVA, and reactive power is 117,59638 MVAR. Keywords: Synchronization, active power, total power, reactive power, power factor. xvi BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Energi listrik merupakan kebutuhan primer pada perkembangan teknologi sekarang ini. Manusia sangat bergantung pada energi listrik dan supaya energi listrik dapat digunakan dengan baik, dibutuhkan suatu sistem pembangkit energi listrik yang handal. Generator sinkron tiga phasa adalah sumber utama pembangkit daya listrik yang sudah tidak asing lagi dalam dunia kelistrikan. Hampir seluruh sistem pembangkit tenaga listrik di dunia ini menggunakan generator sinkron sebagai sumber daya listrik, kecuali pada pembangkit dengan tujuan dan kondisi tertentu. Generator sinkron tiga fasa adalah suatu peralatan listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi mekanik dapat diperoleh dari motor diesel, air, gas, uap bumi, nuklir dan lain-lain. Generator merupakan suatu peralatan utama dalam suatu sistem pembangkitan energi listrik. Pada PLTU Pangkalan Susu, generator mempunyai kapasitas 220 MW setiap unitnya. Rotor generator diputar oleh turbin uap yang berfungsi sebagai prime mover. Energi mekanik pada rotor ini dikonversikan menjadi energi listrik pada stator yang nantinya digunakan untuk berbagai macam kebutuhan. Dalam penggunaannya, generator beroperasi secara terus-menerus sesuai dengan kebutuhan beban yang dilayaninya. Akibatnya generator akan menimbulkan rugi-rugi panas akibat eddy current (rugi arus putar/arus pusar) pada belitan stator/rotor, rugi mekanik (rugi gesek angin & poros sikat), rugi inti (rugi hysteris & rugi arus), rugi buta, rugi tembaga & sikat. Panas yang ditimbulkan generator ini dapat mempengaruhi kerja dari generator sehingga dapat menurunkan efisiensi generator itu sendiri. Untuk mengatasi hal tersebut, maka generator perlu mendapatkan pendinginan sehingga panas yang dihasilkan generator itu dapat berkurang. 1 Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau bahkan akan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban yang meningkat, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang kemudian dioperasikan secara parallel dengan generator yang telah bekerja sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama, hal ini disebut dengan SINKRONISASI GENERATOR (SYNCHRONIZATION GENERATOR). Sinkronisasi Generator adalah dua buah atau lebih generator yang bekerja secara parallel. Keuntungan dari menggabungkan 2 (dua) generator atau lebih dalam suatu jaringan listrik ini dibandingkan dengan 1 (satu) unit generator jika kapasitasnya besar adalah bila salah satu generator tiba-tiba mengalami gangguan, maka generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain, sehingga pemutusan listrik secara total dapat dihindari. Dalam memparalelkan 2 atau lebih generator diperlukan pemahaman dan pengetahuan yang tepat agar sinkronisasi dapat dilakukan dengan benar, oleh sebab itu penulis tertarik untuk mengetahui dan mempelajari lebih lengkap serta lebih mendalam tentang Sinkronisasi Generator. Pada PLTU Pangkalan Susu terdapat 2 unit sehingga penulis akan membahas 2 generator pada masing-masing unit yang kapasitasnya sama yakni 1 unit berkapasitas 1 x 220 MW, tetapi karena daya yang disuplai untuk melayani beban sumatera hanyalah 200 MW per unit dan 20 MW per unit digunakan untuk melayani beban PLTU Pangkalan Susu sendiri, maka disebutkan Generator 2 x 200 MW. Maka pada tugas akhir ini penulis akan membahas mengenai “Sistem Sinkronisasi Generator Pada PLTU Pangkalan Susu 2 x 200 MW PT PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Medan”. Dan pada tugas akhir ini saya akan menganalisa mengenai sinkronisasi generator sesuai dengan pengambilan data yang sudah saya lakukan di PLTU Pangkalan Susu. 2 B. Batasan Masalah Mengingat pembahasan ini sangat luas dan waktu pengerjaannya terbatas, maka perlu membuat batasan masalah yang akan dibahas untuk menghindari pembahasan yang tidak terarah sehingga dapat berfokus pada masalah yang akan dibicarakan. Pada laporan tugas akhir sistem sinkronisasi pada Penbangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Pangkalan Susu ini penulis membatasi masalah yang akan dibahas. Adapun yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah : 1. Bagaimana sistem sinkronisasi generator sinkron pada PLTU Pangkalan Susu? 2. Mengapa sinkronisasi / parallel generator harus dilakukan? 3. Bagaimana cara untuk mengetahui syarat parallel telah dipenuhi? 4. Metode apa saja yang digunakan dalam memparalelkan generator? 5. Bagaimana perhitungan daya aktif, daya reaktif, dan faktor daya rata-rata yang dihasilkan dari sinkronisasi generator? C. Tujuan Adapun tujuan dari Tugas Akhir ini adalah : 1. Memahami kegunaan dan pentingnya sinkronisasi generator dalam pembangkit listrik. 2. Memahami sistem sinkronisasi generator pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). 3. Memahami pengaruh sinkronisasi terhadap proses penyaluran listrik untuk melayani beban. 3 D. Manfaat Adapun manfaat dari laporan Tugas Akhir ini adalah : 1. Menambah pengetahuan bagi penulis dan wawasan tentang sistem sinkronisasi Generator. 2. Meningkatkan kerjasama antara Politeknik Negeri Medan dengan Perusahaan Litrik Negara PT PLN (Persero). 3. Membantu para pembaca untuk meningkatkan pengetahuan dan wawasan mengenai sistem sinkronisasi generator sinkron. 4. Sebagai masukan bagi perusahaan/pembangkit listrik dalam hal sinkronisasi generator agar mencapai proses sinkronisasi yang baik dan benar. 5. Menambah kepustakaan Politeknik Negeri Medan, khusunya jurusan Teknik Mesin. E. Teknik Pengumpulan Data Berbagai cara yang dilakukan penulis dalam pengumpulan data diantaranya: 1. Studi literature dengan mencari buku-buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan dan Perpustakaan jurusan Teknik Mesin maupun sumber lain yang berkaitan dengan Generator Sinkron. 2. Observasi/tinjauan lapangan yaitu melalui riset di PLTU Pangkalan Susu PT PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Medan . 3. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing dan pembimbing di PLTU Pangkalan Susu maupun dengan pihak-pihak yang dapat membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Website dunia listrik dan website lainnya yang berhubungan dengan tugas akhir. 4