SISTEM EKSITASI GENERATOR SINKRON

Pada proses pembangkitan medan magnet pada rotor generator sinkron, diperlukan arus searah yaitu DC yang pada umumnya disebut penguat. Perangkat yang berfungsi untuk menyuplai arus penguat ini disebut exciter. Pada sistem pengaturan modern, exciter memegang peranan penting yaitu untuk mengendalikan kestabilan suatu pembangkit karena apabila terjadi fluktuasi beban maka exciter sebagai pengendali akan berfungsi mengontrol keluaran generator seperti tegangan, arus, dan faktor daya dengan cara mengatur kembali besaran-besaran input agar mencapai titik keseimbangan sesuai setpoint yang sudah diatur.

Definisi Sistem Eksitasi

Sistem eksitasi adalah sistem yang digunakan untuk menyuplai listrik DC pada generator untuk membangkitkan medan magnet, sehingga generator dapat menghasilkan tegangan keluaran pada generator yang besarnya bergantung pada besarnya arus eksitasi.

Macam - Macam Sistem Eksitasi

1. Eksitasi Dinamis 

Eksitasi dinamik dengan sikat artinya sistem eksitasi yang sumber / supply arus eksitasi nya dapat dari sebuah mesin bergerak atau biasa dikenal sebagai eksiter.

    a. Eksitasi Dinamis Dengan Sikat

Eksiter ini dipasang satu poros dengan generator utama. Supply atau eksiter bisa dapat berubah arus searah (mesin generator DC) dan arus bolak balik (mesin generator AC). Jika berupa mesin generator AC maka perlu didalam sistem eksiter/ generator penguatan diberikan diode sebagai penyearah atau konversi menjadi arus DC.

          Prinsip kerja :

1.     Saat generator utama diputar oleh turbin, maka as generator utama yang terhubung dengan as generator PMG (pilot exiter) yang memiliki magnet permanent. Magnet permanent yang berputar akan memotong kumparan ada generator pilot exiter, maka akan timbul GGL berupa tegangan AC.

2.    Tegangan AC disearahkan oleh rectifier yang kemudian menjadi tegangan DC. Tegangan DC disalurkan ke AVR

3.    AVR menyalurkan arus eksitasi DC ke generator utama melalui sikat dan slip ring menuju kumparan rotor generator, dan pada rotor akan menjadi magnet.

4.    Magnet yang timbul pada rotor yang berputar akan memotong kumparan pada stator dan timbul GGL berupa tegangan AC.

5.    Hasil tegangan AC pada generator utama akan disensing oleh potensial transformer (PT) sebagai parameter untuk AVR. Jika tegangan generator yang dihasilkan lebih kecil daripada tegangan referensinya, maka AVR mengatur arus keluaran PMG untuk menaikkan arus eksitasinya dan disalurkan ke generator utama. Begitu juga sebaliknya. 

    b. Eksitasi Dinamis Tanpa Sikat (Brushless)

Bagian (komponen) eksitasi brushless :

A.  Pilot Exciter (PMG)

Pilot Exciter mrupakan Permanent Magnet Generator (PMG) yang berfungsi untuk mensupply arus DC pada main excitor.

B.  Main Exciter

Main Exciter berfungsi untuk mengeksitasi dari sistem utama generator pembangkit. Main exciter merupakan generator yang kumparan medannya terletak pada stator dan kumparan jangkarnya terletak pada rotor.

C.  Rectifier

Rectifier pada sistem ini terdiri dari buah yakni pada keluaran pilot exciter dan keluaran exciter yang berfungsi untuk menyearahkan keluaran dari kedua exciter

D.  Potential Transformer

E.   Current Transformer

Fungsi dari CT dan PT berada pada bagian keluaran generator adalah untuk mengetahui tegangan dan arus yang dikeluarkan oleh generator yang bertujuan untuk memeriksa bahwa tegangan dan arus yang dihasilkan sesuai dengan yang dikehendaki. Apabila nilai dari tegangan dan arus tidak sesuai maka CT dan PT akan mengirimkan data pada Regulator.

F.   AVR

Regulator berfungsi sebgai kontrol keluaran tegangan dari generator utama.

Prinsip kerja :

1.      Saat generator diputar, as rotor generator yang dihubungkan dengan rotor Pilot Exiter yang memiliki magnet permanent akan berputar dan akan memotong garis gaya magnet dalam kumparan  dan menginduksi medan magnet sehingga menimbulkan tegangan induksi (GGL) pada stator. Perubahan fluks magnet yang memotong kumparan inilah yang menyebabkan timbulnya arus listrik AC.

2.      Tegangan AC keluaran dari PMG ini kemudian akan menjadi sumber untuk AVR (Automatic Voltage Regulator). Oleh AVR tegangan AC akan disearahkan menjadi tegangan DC (Direct Current) oleh rangkaian rectifier yang berada di dalam AVR. AVR akan mengatur besar arus tegangan DC oleh rangkaian chopper (DC-DC Converter). Arus DC akan dialirkan ke stator Main Exiter.

3.      Arus DC yang mengalir pada stator Main Exiter membuat stator Main Exiter menjadi magnet dan disertai rotor Main Exiter yang berputar karena juga couple dengan as generator sehingga pada armature coil Main Exiter akan bangkit tegangan AC.

4.      Tegangan AC tersebut akan disearahkan menjadi tegangan DC oleh diode silikon yang berada di Rectifier Wheels. Arus DC ini akan disalurkan ke field coil (kumparan medan) di rotor sebagai sumber eksitasi dari generator.

5.      Generator terdiri dari rotor yang berputar dan statornya menghasilkan tegangan keluaran berupa tegangan AC.

2. Eksitasi Statis

Sistem eksitasi statis adalah sistem eksitasi generator dengan menggunakan peralatan eksitasi yang tidak bergerak, yang berarti bahwa peralatan eksitasi tidak ikut berputar bersama rotor generator sinkron. Sistem eksitasi ini disebut juga self excitation yang merupakan sistem eksitasi yang tidak memerlukan generator tambahan sebagai sumber eksitasi generator sinkron dan sebagai gantinya sumber eksitasi berasal dari keluaran generator sinkron itu sendiri yang disearahkan terlebih dahulu dengan menggunakan rectifier.

Komponen Utama

1.      Controller Rectifier

Controller Rectifier adalah suatu rangkaian yang berfungsi menyearahkan tegangan AC 3 fasa yang dihasilkan oleh generator utama menjadi tegangan DC sebagai sumber utama eksitasi. Komponen utama dari controller rectifier adalah berupa 6 buah Thyristor yang dapat diatur sudut penyalaannya sesuai dengan keperluan.

2.      Main Generator

Main Generator adalah komponen utama dari sistem pembangkitan itu sendisi. Pada sistem eksitasi statis biasanya menggunakan bantuan slip ring yang berfungsi mengalirkan arus eksitasi DC ke kumparan medan rotor dari generator utama.

3.      Three-phase AC Transformer

Three Phase AC Transformer adalah sebuah trafo step down yang berfungsi menurunkan tegangan output dari generator utama yang nilainya sangat besar menjadi tegangan yang digunakan untuk sistem eksitasi sebelum masuk ke rangkaian controlled rectifier

4.      CT dan PT

CT dan PT adalah sensor arus dan sensor tegangan yang berfungsi melakukan sensing pada tegangan maupun arus dari output generator utama. Nantinya Hasil dari pembacaan sensor nantinya akan diproses oleh controller/ regulator

5.      DC dan AC Regulator

DC Regulator dan AC Regulator adalah sebuah controller yang mempunyai fungsi utama mengatur nilai tegangan eksitasi dengan cara mengatur sudut penyalaan dari Thyristor di rangkaian Controlled Rectifier. Regulator disini dibagi menjadi 2 yaitu regulator AC dan DC. Regulator AC mendapatkan input dari CT dan PT yang berasal dari output generator. Sedangkan DC regulator mendapatkan input dari arus eksitasi DC sebelum masuk ke Main Generator.

Prinsip Kerja :

Ketika rotor dari generator sudah berputar dengan kecepatan tertentu, masih belum ada tegangan yang dibangkitkan pada terminal generator, karena pada kumparan medan belum ada medan magnet, maka dibuatlah sistem eksitasi. Excitation System pada generator ini memiliki tipe Static Excitation (Self-Excitation). Dimana tegangan keluaran dari generator akan digunakan pada sistem eksitasi dari generator itu sendiri, hal ini mengakibatkan generator membutuhkan sumber DC awal sebagai penyedia medan magnet untuk membangkitkan tegangan pada terminal generator, yang kemudian disearahkan pada field flashing.  Field Flashing digunakan pada eksitasi Generator, di mana magnetisme sisa tidak cukup tinggi untuk membangun tegangan terminal saat memulai.  Apa yang dilakukan adalah untuk menghubungkan sumber DC eksternal ke kumparan medan untuk memulai membangun tegangan; sumber flashing akan berhenti saat operasi sudah normal.

Tegangan arus searah yang dibangkitkan pada field flashing  disalurkan menuju field winding pada rotor melalui media brush. Karena bersinggungan dengan rotor secara terus-menerus, kondisi brush dicek secara berkala setiap 1 minggu.

Setelah diberi sumber DC pada field winding, akan timbul GGL induksi didalam generator sehingga timbul tegangan pada terminal generator, dan arus akan mengalir menuju Excitation Transformer, untuk menurunkan tegangan dari terminal generator dan dilewatkan menuju thyristor rectifier untuk disearahkan sehingga menjadi tegangan DC yang menyediakan medan magnet untuk menghasilkan listrik pada generator itu sendiri (static excitation).

Besar tegangan dan arus terminal generator dipantau melalui Potential Transformer dan Current Transformer. Sehingga ketika tegangan terminal generator sudah mencapai 60% dari tegangan nominal terminal generator, maka supply sumber DC dari field flashing akan otomatis diputus oleh kontaktor. Namun jika selama 30 detik tegangan pada terminal generator belum juga mencapai 60% dari tegangan nominal, maka Exciter akan trip dan akan memicu alarm berupa “Initial Excitation Failure”.

Skema Exciter dan AVR

Dari blok diagram dapat dilihat bahwa AVR mendapatkan sinyal input masukan berupa Vg (tegagan output generator), Ig (arus output generator) dan If (arus eksitasi generator). Dari sinyal masukan ini kemudian akan diolah dan dibandingkan dengan Vreff dan hasil kontrol AVR digunakan untuk mengatur sudut penyalaan AVR pada rangkaian Exciter.

Sumber :.

1. https://www.researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-the-brushless-excitation-system_fig1_254302882
2. https://www.google.com/url?sa=i&source=imgres&cd=&ved=2ahUKEwifm7Cvm9voAhWJbysKHcSaAaIQjhx6BAgBEAI&url=https%3A%2F%2Ffenix.tecnico.ulisboa.pt%2FdownloadFile%2F281870113703373%2Fresumo.pdf&psig=AOvVaw3B-uwbUpTjfN7VafAgBLqD&ust=1586517225456509
3. buku operation and control in power system psr murthy