Generator Set

Genset

Dahulu kita mengenal pompa ungkit untuk memaksa cairan keluar dari kedalaman, kemudian kita mengenal pompa rotasi, bila diputar menyebabkan cairan mengalir keluar, semakin cepat kita memutar semakin deras cairan mengalir keluar. Pompa menyebabkan cairan mengalir tetapi tidak membuat cairan tersebut.

Mekanisme tersebut dapat dianalogikan sebagai generator, sebab generator tidak benar-benar menciptakan energi listrik, tetapi menggunakan energi mekanik untuk memaksa pergerakan muatan listrik timbul dalam kawat dari kumparan.Dalam era modern, perkembangan dunia industri semakin pesat dan tak dapat dipungkiri, hampir semua kebutuhan manusia mulai dari sandang, pangan dan kebutuhan skunder lainnya telah diproduksi massal di pabrik-pabrik industri. Seiring dengan perkembangan industrialisasi tersebut maka kebutuhan akan daya listrik juga semakin meningkat tajam.

Ketika terjadi kegagalan daya atau pemadaman pada catu daya utama maka saat itu dibutuhkan pasokan daya listrik cadangan dan pada kondisi tersebut diharapkan daya listrik cadangan dapat mensuplai energi listrik terutama untuk beban-beban prioritas.

Mulai dari artikel ini akan dibahas sebagian dari fungsi generator listrik dan peralatan-peralatan yang mengitarinya mulai dari prime mover mesin diesel sampai panel distribusinya (main
distribution panel).

Genset umumnya digunakan sebagai sistem pemasok(supply) daya listrik (PLTD) dan juga sebagai sistem pemasok daya listrik cadangan atau sebagai sumber daya listrik yang tergantung atas kebutuhan pemakai (off-grid).

Satu generator set lengkap terdiri dari beberapa bagian, antara lain adalah:

1. Prime mover atau pengerak mula, dalam hal ini mesin diesel (diesel engine)
2. Generator Arus Bolak-balik (Synchronous Generator)
3. Dinamo Stater (Starting Motor)
4. Generator Arus Searah (Exiter)
5. Baterai dan Battery Charger
6. AVR (Automatic Voltage Regulation)
7. Panel ACOS (Automatic Change Over Switch)
8. ATS (Automatic Transfer Switch)
9. AMF (Automatic Main Failure)
10. Pengaman untuk Peralatan (Proteksi)
11. Perlengkapan Instalasi Tenaga

Prime Mover

Mesin diesel termasuk mesin dengan pembakaran dalam atau disebut dengan motor bakar (internal combustion engine), ditinjau dari cara memperoleh energi termalnya (energi panas). Untuk membangkitkan energi listrik, sebuah mesin diesel dihubungkan dengan generator dalam satu poros atau poros dari mesin diesel dikopel dengan poros generator dimana mesin diesel bertindak sebagai prime mover atau penggerak mula untuk memutar rotor generator.

Keuntungan pemakaian mesin diesel sebagai penggerak mula:

1. Desain dan instalasi relatif sederhana
2. Peralatan bantu (Auxilary equipment) relatif sederhana
3. Waktu pembebanan relatif singkat

Kerugian pemakaian mesin diesel sebagai Penggerak mula:

1. Mesin sangat berat karena harus dapat menahan getaran serta kompresi yang tinggi
2. Starting awal berat, karena kompresinya tinggi yaitu sekitar 300 bar (30 Mpa, 4.400 psi)
3. Semakin besar daya maka mesin diesel tersebut dimensinya makin besar pula, hal tersebut menyebabkan kesulitan jika daya mesinnya sangat besar
4. Konsumsi bahan bakar menggunakan bahan bakar minyak fosil yang relatif lebih mahal dibandingkan dengan pembangkit listrik yang menggunakan bahan bakar jenis lainnya, seperti gas dan batubara.

Prime mover atau penggerak mula merupakan mesin yang berfungsi menghasilkan energi mekanis untuk memutar rotor generator. Pada mesin diesel (diesel engine) terjadi penyalaan sendiri, karena proses kerjanya berdasarkan pencampuran udara murni yang dikompresikan di dalam silinder hingga mencapai tekanan ± 30 atm, sehingga temperatur di dalam silinder naik dan pada saat yang bersamaan bahan bakar diesel atau solar(beberapa dipanaskan oleh heather glow plug) diinjeksikan melalui nozzle injektor ke dalam silinder dengan tekanan yang cukup tinggi sekitar 100 bar (10 Mpa, 1.500 psi) sehingga ruang bakar (combustion chamber) mendapat tekanan sampai suhu titik nyala bahan bakar diesel tersebut sehingga bahan bakar terbakar dengan sendirinya.

Dengan terbakarnya bahan bakar tersebut maka piston (seher atau torak) mendapat cukup energi untuk melakukan usaha karena tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara murni tersebut akan mendorong piston yang terhubung dengan poros engkol (crank shaft)melalui batang torak sehingga bergerak menuju titik mati bawah (TMB), setelah itu piston tersebut bergerak kembali menuju titik mati atas (TMA) sambil menekan gas buang sisa pembakaran keluar melalui knalpot (exhaust manifold), setelah TMA tercapai piston bergerak kembali menuju TMB sambil menghisap udara murni lalu bergerak kembali menuju TMA sambil melakukan kompresi dan kemudian bahan bakar diinjeksikan kembali, satu siklus telah tercapai, gerak bolak-balik piston diubah menjadi gerak rotasi oleh crank shaft dan sebaliknya gerak rotasi crank shaft yang terhubung dengan fly wheel juga berubah menjadi gerak bolak-balik piston setelah langkah kompresi, siklus tersebut terjadi secara berulang menyebabkan piston terus bergerak bolak-balik dan crank shaft berputar mengikuti fungsi dari langkah sehingga mesin tersebut dinamakan mesin reciprocating.

Dan untuk mesin multi silinder memiliki urutan pembakaran (firing order) untuk menjaga keseimbangan mesin dan mencegah agar crank shaft tidak terpuntir hingga bengkok atau patah yang dapat mengakibatkan mesin menjadi macet dan silinder pecah.

Berdasarkan sistim kerja injeksinya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu injeksi langsung ke ruang bakar diatas piston (direct injection) dan injeksi bahan bakar ke dalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar dimana piston berada sehingga dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection).

Sistem starting atau proses untuk mengoperasikan mesin diesel dibagi menjadi 3 macam sistem starting yaitu:

1. Sistem Start Manual
2. Sistem Start Elektrik
3. Sistem Start Kompresi

Sistem Start Manual: 
Sistem start ini dipakai untuk mesin diesel dengan daya mesin yang relatif kecil yaitu < 30 PK. Cara untuk menghidupkan mesin diesel pada sistem ini adalah dengan menggunakan penggerak engkol start pada poros engkol atau poros hubung yang akan digerakkan oleh tenaga manusia. Jadi sistem start ini sangat bergantung pada faktor manusia sebagai operatornya.

Sistem Start Elektrik : Sistem ini dipakai oleh mesin diesel yang memiliki daya sedang yaitu < 500 PK. Sistem ini menggunakan motor DC dengan suplai listrik dari baterai/accu 12 atau 24 volt untuk menstart diesel. Saat start, motor DC mendapat suplai listrik dari baterai atau accu dan menghasilkan torsi yang dipakai untuk menggerakkan diesel sampai mencapai putaran tertentu. Baterai atau accu yang dipakai harus dapat dipakai untuk menstart sebanyak 6 kali tanpa diisi kembali, karena arus start yang dibutuhkan motor DC cukup besar maka dipakai dinamo yang berfungsi sebagai generator DC. Pengisian ulang baterai atau accu digunakan alat bantu berupa battery charger dan pengaman tegangan. Pada saat diesel tidak bekerja maka battery charger mendapat suplai listrik dari PLN, sedangkan pada saat diesel bekerja maka suplai dari battery charger didapat dari generator. Fungsi dari pengaman tegangan adalah untuk memonitor tegangan baterai atau accu. Sehingga apabila tegangan dari baterai atau accu sudah mencapai 12/24 volt, yang merupakan tegangan standarnya, maka hubungan antara battery charger dengan baterai atau accu akan diputus oleh pengaman tegangan.

Sistem Start Kompresi : Sistem start ini dipakai oleh diesel yang memiliki daya besar yaitu > 500 PK. Sistem ini memakai motor dengan udara bertekanan tinggi untuk start dari mesin diesel. Cara kerjanya yaitu dengan menyimpan udara ke dalam suatu botol udara. Kemudian udara tersebut dikompresi sehingga menjadi udara panas dan bahan bakar solar dimasukkan ke dalam Fuel Injection Pump serta disemprotkan lewat nozzle dengan tekanan tinggi. Akibatnya akan terjadi pengkabutan dan pembakaran di ruang bakar. Pada saat tekanan di dalam tabung turun sampai batas minimum yang ditentukan, maka kompressor akan secara otomatis menaikkan tekanan udara di dalam tabung hingga tekanan dalam tabung mencukupi dan siap dipakai untuk melakukan starting mesin diesel.

Generator

Pada umumnya generator sebagai pembangkit tenaga listrik terdiri dari dua jenis, yaitu generator tak sinkron (asynchronous generator) dan generator sinkron (synchcronous generator).

Generator tak sinkron semakin jarang digunakan sebagai pembangkit energi listrik tetapi kadang digunakan sebagai pengereman generatif, yaitu bila motor tak sinkron berputar melebihi putaran sinkronnya maka secara otomatis motor bekerja sebagai generator dan berlangsung proses pengereman.

Generator sinkron disebut juga sebagai generator arus bolak-balik (alternating current generator) atau alternator yang banyak digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik dan merupakan konverter terbesar di dunia. Fungsi generator sinkron adalah mengkonversi tenaga mekanis dari penggerak mulanya menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Kumparan jangkar ditempatkan pada rotor sedangkan kumparan medan ditempatkan pada stator, akan tetapi pada generator sinkron pembangkit kapasitas besar berlaku sebaliknya dengan alasan:

1. Belitan jangkar lebih kompleks dari belitan medan sehingga lebih mudah dan lebih terjamin ditempatkan pada struktur diam dan tegar
2. Lebih mudah mengisolasi dan melindungi belitan jangkar terhadap tegangan tinggi
3. Pendinginan belitan jangkar lebih mudah karena inti stator yang dibuat cukup besar sehingga dapat didinginkan dengan udara paksa
4. Belitan medan mempunyai tegangan rendah sehingga dapat efisien dipakai pada kecepatan tinggi.

Generator sinkron dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

1. Generator sinkron 1 phasa
2. Generator sinkron 3 phasa

Prinsip kerja generator sinkron

Generator sinkron diklasifikasikan sebagai mesin sinkron yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik, dimana setelah rotor diputar oleh prime mover sehingga kutup-kutup yang ada pada rotor ikut berputar dan jika kumparan kutup diberi arus searah maka pada permukaan kutup akan timbul medan magnet (garis gaya fluks) yang berputar yang kecepatannya sama dengan putaran kutup (synchronous).

Garis-garis gaya fluks yang berputar tersebut akan memotong kumparan jangkar yang ada dictator sehingga pada kumparan jangkar tersebut timbul EMF atau GGL atau tegangan induksi. Frekuensi EMF (GGL) atau tegangan induksi tersebut mengikuti persamaan:

, Dengan: P = banyaknya kutub, N = kecepatan putar (rpm)

Oleh karena frekuensi dari tegangan induksi tersebut di Indonesia audah tertentu yakni 50 Hz dan jumlah kutub selalu genap maka putaran kutub/putaran rotor/putaran penggerak mula sudah tertentu.

Besarnya tegangan induksi yang timbul pada kumparan jangkar yang ada di stator akan mengikuti persamaan :

Dengan: 
k_c = factor kisar, 
k_d = factor distribusi, 
f = frekuensi dalam Hz atau cps, 
φ = fluks/kutub dalam weber, 
T = banyaknya lilitan/fase = ½ Z, dengan Z adalah banyaknya sisi lilitan
per-fase, satu lilitan ada dua sisi.

Contoh 01 : Hitung kecepatan dan tegangan perfase serta tegangan antara fase dari suatu generator serempak 4 kutub, tiga fase 50 Hz, hubungan Y dengan 36 alur (slot), tiap slot berisi 30 penghantar (sisi lilitan). Fluks per kutub 0,05 Weber terdistribusi sinusoidal.

Penyelesaian :

Contoh 02 : Suatu generator serempak tiga fase, 4 kutub, 50 Hz mempunyai 15 alur perkutub, tiap alur berisi 10 penghantar. Setiap penghantar dari tiap fase dihubungkan seri dengan factor distribusi 0,95 dan factor kisar 1. Pada waktu beban nol, EMF antara fase 1825 volt, hitung fluks perkutub.

Penyelesaian :