Gen Constr Rev

KONSTRUKSI GENERATOR PADA UNIT PEMBANGKIT

Andri Febriyanto *) 780221075-I

*) Teknisi Listrik PLTGU Tambak Lorok UBP SMG

Abstark: Generator AC (alternator) merupakan media konversi energi mekanik menjadi energi listrik. Rancangan konstruksi generator dan sistem pendukungnya (auxiliary system) dibuat sedemikian rupa sehingga generator akan mampu menjalankan fungsi sebagai media konversi tersebut. Aspek perancangan meliputi aspek mekanis dan juga elektrikal/’thermal’. Berikut akan disampaikan gambaran secara umum mengenai konstruksi generator di unit-unit pembangkit.

Pendahuluan Generator pada unit pembangkit (altenator) adalah mesin arus bolak-balik sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Bagian berputar mesin ini (belitan rotor) disuplai oleh arus DC untuk menghasilkan medan magnit rotor. Rotor generator kemudian akan diputar oleh prime mover (turbin) sehingga diperoleh medan magnit putar. Medan magnit putar inilah yang kemudian akan menginduksikan tegangan AC 3 fasa ke belitan stator dari mesin ini. Konstruksi generator dapat dibedakan berdasarkan tipe rotornya. Terdapat dua kontruksi rotor generator yaitu rotor silindris (nonsalient pole/cylindrical) dan rotor kutub tonjol (salient pole). Jumlah kutub rotor silindris umumnya dirancang dua atau empat kutub. Dengan frekuensi tegangan output 50 hz, maka generator tipe ini akan beroperasi dengan putaran tinggi, 1500 (empat kutub) dan 3000 (dua kutub) rpm. Generator tipe ini juga dikenal sebagai turbo altenator dan dioperasikan pada unit pembangkit termal (tenaga uap atau gas). Rotor kutub tonjol dirancang dengan jumlah kutub lebih dari empat kutub. Sebagai konsekuensinya, generator dengan tipe rotor ini akan beroperasi dengan putaran rendah (80 sampai 600 rpm)[2]. Aplikasi generator tipe ini, umumnya, adalah pada unit pembangkit hidro (tenaga air). 1. Turbo Altenator (Nonsalient Pole/Cyilindrical Generator) Tipikal penampang melintang turbo altenator dapat dilihat pada Gambar 1. Umumnya, bagian utama konstruksi turbo altenator terdiri dari rotor, bantalan (bearing), stator dan ventilasi (sistem sirkulasi pendingin).

Prepared: ANF File: Gen_constr_rev 1/25

Gambar 1. Penampang melintang tipikal turbo altenator 3000 rpm

(British Thomson-Houston) 1.1. Rotor Pada generator, rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnit putar DC. Berikut adalah bagian-bagian tipikal konstruksi rotor turbo altenator[2]. 1.1.1. Badan Rotor Umumnya, badan rotor turbo altenator adalah bentukan padat dari alloy steel (solid forging of alloy steel). Bentukan padat tersebut harus homogen dan tanpa cacat. Konstruksi badan rotor harus terbebas dari keretakan permukaan (cracks) maupun keretakan dalam (fissures). Karenanya, dalam fabrikasi dilakukan serangkaian pengujian hasilnya akan memberikan informasi mengenai kualitas mekanis dan struktur mikro dari material yang membentuk badan rotor. Kurang lebih dua per tiga badan rotor terdiri dari slot-slot tempat diletakkannya belitan rotor. Satu per tiga sisa badan rotor merupakan pusat kutub rotor dan tidak terdiri dari slot-slot. Tipikal rotor turbo altenator dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Tipikal rotor turbo altenator (General Electric)


1.1.2. Belitan Rotor Belitan rotor terbuat dari tembaga, Gambar 3. Belitan rotor inilah yang akan disuplai arus DC untuk membentuk medan magnit rotor. Tiap belitan terdiri dari beberapa tingkat coil konduktor dan diletakkan pada slot-slot di badan rotor. Pasak-pasak slot (slot wedges) dipasang di atas belitan untuk memberikan hambatan sentuh (frictional resistance) guna menahan pengembangan belitan (winding expanding) akibat panas yang timbul saat belitan dibebani arus. Pasak-pasak tersebut juga berfungsi untuk menahan gaya sentrifugal yang timbul ketika rotor berputar.

Gambar 3. Coil no.1 belitan rotor turbo altenator

(General Eelectric, Generator for MS9001E GT, Tambak Lorok CCPP) Contoh jenis tembaga yang digunakan untuk belitan rotor adalah silver-bearing copper[3]. Jenis tembaga ini memiliki titik lebur lebih tinggi dari jenis tembaga biasa. Karakteristik ini diperlukan untuk mencegah fenomena ‘chopper-shortening’, yaitu fenomena di mana tembaga biasa akan ‘melunak’ ketika mengalami pemanasan sehingga tembaga biasa tersebut akan memendek ketika sudah kembali dingin. Coil konduktor yang membentuk belitan berbentuk ‘flat-strip’. Antar lilitan coil dipisahkan oleh insulasi yang umumnya dibuat dari bahan ‘micanite’. Selain ‘micanite’, bahan ‘bonded asbestos’ dan ‘glass fabric’ juga dipakai[3]. 1.1.3. Cooling Guna melakukan proses pendinginan pada coil konduktor diperlukan jalur yang cukup untuk aliran gas pendingin. Terdapat dua tipe dasar pendinginan coil konduktor, yaitu ‘indirect-cooled’ dan ‘direct-cooled’. ‘Indirect-cooled’ umumnya digunakan pada generator-generator kapasitas kecil. Rotor generator dilengkapi dengan ‘ventilating ducts’ sebagai tempat dialirkannya gas pendingin (Gambar 4). Panas yang dihasilkan oleh coil akan dikonduksikan ke badan rotor melalui ‘slot insulation’. Kemudian panas ini terus dikonduksikan ke gas pendingin pada ‘ventilating ducts’.


Gambar 4. ‘Indirect-cooled’ (General Electric)

Pada ‘indirect-cooled’, ‘slot insulation’ merupakan penghalang panas (thermal barrier) yang akan mengakibatkan terjadinya ‘thermal drop’. Jika level arus pada coil ditingkatkan, maka diperlukan metode disipasi panas yang lebih efektif. Karena itu pada generator dengan kapasitas yang lebih besar diaplikasikan metode pendinginan coil konduktor tipe ‘direct-cooled’. Metode ‘direct-cooled’ memungkinkan gas pendingin bersinggungan langsung dengan coil konduktor sebagai sumber panas. Metode ini telah mengalami banyak pengembangan. Sebagai contoh adalah metode ‘radial flow cooling’ dan ‘diagonal flow cooling’ (Gambar 5 dan 6).

Gambar 5. ‘Radial flow cooling’ (General Electric)


Gambar 6. ‘Diagonal flow cooling’ (General Electric)

“Radial flow cooling’ memungkinkan gas pendingin masuk ke dalam slot melalui ‘sub slot’. Gas pendingin masuk dengan arah aliran axial namun kemudian menyebar secara radial melalui lubang-lubang pada coil tembaga dan melalui ‘wedges’. Sentuhan langsung antara gas pendingin dengan coil konduktor akan menghilangkan ‘thermal drop’ pada ‘slot insulasi’. Gas pendingin, pada ‘diagonal flow cooling’, masuk ke dalam slot melalui lubang-lubang slot yang berdampingan. Aliran gas akan berubah arah pada lapisan coil yang paling bawah. Konfigurasi ‘wedges’ dibuat sedemikian sehingga putaran rotor akan memberikan tekanan yang dibutuhkan untuk mengalirkan gas pendingin ke dalam slot. Aliran gas ini juga dibantu oleh tekanan yang dihasilkan oleh ‘fans’. 1.1.4. Overhang dan Retaining Ring Ujung-ujung coil konduktor akan berada di luar badan rotor (overhang), Gambar 7. ‘Retaining ring’ di pasang di atas ujung-ujung coil guna mengatasi gaya sentrifugal akibat putaran rotor, Gambar 8. ‘Retaining ring’ merupakan bagian generator yang mengalami tegangan (stress) paling tinggi. Ujung-ujung coil akan memberikan ‘stress’ pada nilai antara 2500 sampai 4000 kilogram untuk tiap satu kilogram tembaga di bawah ‘retaining ring’. ‘Stress’ tersebut akan mampu membuat bentuk ‘retaining ring’ yang semula berbentuk lingkaran menjadi sedikit elip. Sehingga rancangan dan pemasangan ‘retaining ring’ mendapat perhatian khusus guna menjaga agar ‘retaining ring’ tetap pada bentuk lingkaran saat berputar di kecepatan penuh dan juga sekaligus agar tidak terjadi pergeseran ‘ring’ terhadap badan rotor.


Gambar 7. Overhang (English Electric)

Gambar 8. Retaining ring (General Eelectric, Generator for MS9001E GT, Tambak Lorok CCPP)


Gambar 9. Proses pemanasan untuk pelepasan retaining ring

(General Eelectric, Generator for MS9001E GT, Tambak Lorok CCPP) Bahan pembuat ‘retaining ring’ dapat berupa bahan magnetic atau non-magnetic. Bahan non-magnetic digunakan pada generator berkapasitas besar untuk mengurangi fluks bocor (leakage flux) sekaligus juga mengurangi ‘losses’. 1.1.5. Fan Rotor generator dilengkapi dengan ‘centrifugal’ atau ‘axial (propeller) fan’. ‘Fan’ digunakan, seperti telah diuraikan di atas, untuk membantu sirkulasi gas pendingin ke badan rotor dan stator, Gambar 10.

Gambar 10. Peran fan-fan (tanda panah) untuk sirkulasi gas pendingin

(General Eelectric) 1.1.6. Slip Rings (Collector Ring) ‘Slip rings’, Gambar 2, adalah dua cincin logam yang melingkar secara penuh namun terisolasi terhadap poros rotor. Masing-masing ujung belitan rotor dihubungkan dengan salah satu cincin tersebut. Di atas masing-masing cincin terpasang sikat arang (brushes). Jika kutub positif sumber DC dihubungkan ke salah satu ‘brush’ dan kutub


negatif dihubungkan ke ‘brush’ yang lain, maka tegangan DC akan tersuplai ke belitan medan rotor. Tegangan DC ini tidak akan terpengaruh, baik oleh posisi maupun kecepatan ‘angular’ rotor. 1.2. Bearing ‘Journal bearing’ digunakan sebagai bantalan penyangga rotor turbo altenator. Bearing dirancang dan difabrikasi dalam dua bagian (upper dan lower half), Gambar 11, sehingga sangat tidak direkomendasikan penggantian bearing hanya dilakukan satu bagian saja.

Gambar 11. Cylindrical bore journal bearing (General Electric)

‘Journal bearing’ dilengkapi dengan lubang ‘inlet’ dan ‘drain’ untuk sirkulasi pelumas serta lubang tambahan yang digunakan untuk keperluan indikator, misalnya untuk ‘sight flow glass’ atau peralatan indikator suhu. Perputaran poros rotor akan menyirkulasikan pelumas sehingga akan terbentuk lapisan film (lubricating film) antara poros dengan permukaan bearing. Terbentuknya ‘lubricating film’ ini akan mengurangi ‘losses’ karena gesekan dan pemanasan.


Gambar 12. Elliptical bore journal bearing (General Electric)

1.3. Stator Garis-garis gaya medan magnit yang dibangkitkan pada rotor akan memotong tiga kelompok belitan stator. Masing-masing kelompok belitan diatur sedemikian sehingga gaya gerak listrik yang diinduksikan ke masing-masing belitan stator berbeda sudut fasa listriknya sebesar 120 derajat. Berikut adalah bagian-bagian utama dari stator turbo altenator. 1.3.1. Stator Housing ‘Stator housing’ terdiri dari kerangka dan dinding. Kerangka tersusun atas plat-plat baja melingkar yang dihubungkan satu sama lain dengan batang-batang longitudinal. Gambar 13 memperlihatkan ‘stator housing’ sederhana yang terdiri dari dua buah ‘end plates’ dan empat ‘intermediate plates’ yang masing-masing diikat oleh batang-bantang. Bagian dalam kerangka dibuat rusuk-rusuk sebagai lokasi pemasangan inti stator.

Gambar 13. Fabrikasi stator housing untuk turbo altenator


Kerangka kemudian dilindungi dengan dinding baja. Gambar 14. memperlihatkan contoh ‘stator housing’ untuk generator berkapasitas 35,7 MVA. Housing dilengkapi dengan lubang-lubang ventilasi untuk sirkulasi gas pendingin.

Gambar 14. Stator housing (British Thomson-Houston)

1.3.2. Inti Stator Salah satu bagian utama stator adalah inti (core) stator. Inti stator dibuat dari bahan ‘ferromagnetic’ seperti misalnya campuran baja (alloy steel). Berdasarkan sifat bahannya, secara natural, pada inti stator akan terjadi disipasi energi berupa panas yang dikenal sebagai rugi-rugi inti (core losses). Rancangan inti stator harus dibuat sedemikian sehingga ‘core losses’ dapat ditekan seminimal mungkin. ‘Losses’ pada inti stator disebabkan oleh dua hal, ‘hysteresis effect’ dan ‘eddy current’. Gambar 15 mengilustrasikan terjadinya ‘hysteresis effect’ pada bahan ‘ferromagnetic’ inti stator ketika disuplai arus AC. Dengan mengasumsikan fluks magnet awal pada inti bernilai nol, maka ketika arus AC dinaikkan, maka fluks akan meningkat seiring dengan jalur a-b. Jika arus AC diturunkan, maka fluks magnit pada inti juga akan turun namun melalui jalur yang berbeda ketika fluks naik, yaitu jalur b-c-d. Dan jika arus dinaikan kembali, jalur yang berbeda juga akan dilalui fluks magnit inti ketika nilainya bergerak naik, yaitu jalur d-e-b. Fluks yang dibangkitkan pada inti tidak hanya dipengaruhi oleh jumlah arus AC yang diterapkan tetapi juga dipengaruhi oleh fluks sisa (residual flux) yang telah ada pada inti. Jalur fluks b-c-d-e-b inilah yang disebut sebagai ‘hysteresis loop’ yang besarnya akan sebanding dengan nilai ‘losses’ karena ‘hysteresis effect’.

Induksi tegangan yang terjadi pada belitan stator juga akan terjadi pada inti stator. Akibatnya, pada inti akan mengalir arus yang bersirkulasi di permukaan inti. Arus ini disebut arus eddy (eddy current). Inti stator memiliki nilai resistansi tertentu sehingga dengan mengalirnya arus tersebut akan terjadi disipasi energi berupa panas pada inti. Jumlah ‘losses’ energi akibat ‘eddy current’ berbanding lurus dengan luas permukaan inti dari stator. Karenanya, inti stator dibuat terdiri dari lapisan-lapisan yang sangat tipis (laminations). Material insulasi disisipkan di antara lapisan-lapisan tersebut sehingga


jalur ‘eddy current’ telah dibatasi pada luas permukaan yang sangat kecil. ‘Losses’ karena ‘eddy current’ pun dapat diminimalisasi.

Gambar 15. Hysteresis effects

1.3.3. Belitan Stator Belitan-belitan stator, sesuai dengan urutan fasanya, terdistribusi di stator pada pasangan-pasangan slot yang saling berdekatan. Derajat antar posisi slot disebut sebagai ‘slot pitch’ dari stator, Gambar 16. Pendistribusian belitan ini memiliki kelebihan dilihat dari aspek kekuatan stator dan kemudahan dalam fabrikasi.


Gambar 16. Distribusi belitan stator (General Electric)

Tiap fasa stator disusun oleh coil-coil dan tiap coil dapat tersusun dari beberapa lilitan yang terisolasi satu sama lain, Gambar 17. Pada generator-generator kapasitas besar umumnya coil stator dibentuk dalam dua lapisan (double layer), Gambar 18. Konstruksi ini lebih mudah dibuat (jumlah slot lebih sedikit) dan memiliki sambungan akhir (end connections) yang lebih sederhana. Sehingga konstruksi ini lebih murah biaya pembuatannya.

Gambar 17. Tipikal coil stator (General Electric)


Gambar 18. Ilustrasi konfigurasi double layer

Pendistribusian belitan-belitan stator ke dalam slot-slot, selain memberikan kelebihan-kelebihan seperti telah disebutkan, akan menimbulkan efek ‘slot harmonics’ pada tegangan keluaran (sebanding dengan fluks magnit) generator. Tegangan keluaran generator tidak akan sinusoidal murni, namun akan mengandung harmonisa dengan nilai tertentu, Gambar 19. ‘Harmonics’ ini terjadi karena variasi nilai reluktansi dan fluks magnet disepanjang permukaan stator. Selain mempengaruhi bentuk tegangan keluaran generator, ‘slot harmonics’ dapat menimbulkan vibrasi, kebisingan dan meningkatkan ‘core losses’. Metode umum yang digunakan untuk mengurangi ‘slot harmonics’ pada generator adalah ‘fractional-slot windings’ yang mendasarkan jumlah fraksi slot untuk setiap jumlah kutub rotor.

Gambar 19. Efek slot harmonics terhadap fluks magnit yang dibangkitkan (B)


1.4. Cooling System Disipasi energi dalam bentuk panas sebagai konsekuensi dari pembebanan arus pada rotor dan stator dapat membatasi kapasitas pembebanan dari generator. Karenanya, dibutuhkan sistem pendingin yang memanfaatkan media gas pendingin sebagai sarana untuk menyerap panas belitan. Panas yang telah diserap kemudian akan disalurkan ke ‘heat exchanger’ yang dilalui air pendingin (water-cooled heat- exchanger). Media gas pendingin yang digunakan adalah udara atau gas hidrogen. 1.4.1. Air Cooling (Sistem Pendingin Udara) Contoh penerapan udara sebagai media pendingin generator dapat dilihat pada Gambar 20. Sirkulasi udara pendingin dibantu oleh dua buah fan yang terpisah dengan poros rotor. Melalui fan, udara pendingin didorong langsung menuju ke bagian akhir dan tengah belitan. Setelah menyerap panas, udara akan didorong menuju ke ‘coolers’ guna menyalurkan panas yang dibawa ke air pendingin. Umumnya terdapat lebih dari satu ‘coolers’ (dua atau empat) sehingga setiap ‘coolers’ dapat dipelihara secara bergantian tanpa mengganggu operasi generator.

Gambar 20. Sistem pendingin udara

1.4.2. Hydrogen Cooling (Sistem Pendingin Hidrogen) Tabel 1. memperlihatkan keunggulan yang dimiliki gas hidrogen-sebagai media pendingin- dibanding dengan udara.


Tabel 1. Keunggulan gas hidrogen sebagai media pendingin

Keunggulan Sifat Gas

Parameter pada Gas Hidrogen

Perbandingan dengan Udara

Efek pada Operasi Generator

Kerapatan (Density) 0,071 x Mengurangi rugi angin dan kebisingan

Panas Jenis (Spesific Heat) 14 x Panas cepat dan mudah diserap dan disalurkan

Penyaluran Panas (Heat Transfer) 1,5 x Panas cepat dan mudah

diserap dan disalurkan

Konduktivitas Panas (Thermal Conductivity) 7 x Gradien suhu antar

bagian berkurang

Keunggulan Lain

- Mengurangi terjadinya efek corona pada insulasi belitan - Bukan merupakan ‘flammabel gas’, selama perbandingan volume hidrogen dan

udara tidak lebih dari 3 : 1 Tipikal diagram pemipaan untuk generator dengan pendingin hidrogen diilustrasikan pada Gambar 21. Fan-fan yang terintegrasi dengan rotor mensirkulasikan hidrogen melalui ‘ventilating ducts’ dan ‘gas coolers’. Tekanan gas hidrogen diatur, untuk selalu berada di atas tekanan udara luar, oleh pengatur otomatis dan katub dengan cara mengatur besarnya suplai gas dari tabung hidrogen atau sumber gas hidrogen lainya (misalnya ‘hydrogen plant generator). Selain tekanan gas hidrogen, kadar uap air dalam gas dan kemurnian gas hidrogen merupakan parameter operasi yang harus terus dipantau. Uap air- yang dapat masuk melalui minyak perapat (oil seals)- yang tekandung dalam gas harus segera “dikeringkan”. Karenanya, pada sistem pendingin hidrogen umumnya dilengkapi dengan ‘gas dryer”. Kemurnian (purity) gas hidrogen dipantau melalui besaran konduktifitas panas (thermal conductivity) dari gas tersebut. ‘Stator housing’ pada generator berpendingin hidrogen harus terjamin kerapatanya (gas-tight) serta harus masuk dalam kualifikasi ‘explosion-proof’. Pada kedua ujung poros rotor terdapat fasilitas ‘oil seals’, yaitu fasilitas perapat dengan menggunakan lapisan ‘oil-films’, Gambar 22. Minyak perapat dialirkan menuju poros dan kemudian aliran dipisah, sebagian menuju ke dalam (gas side) dan sebagian lagi menuju ke bagian udara luar (air side). Saat mengisi atau mengosongkan ‘casing’ generator, harus dihindari campuran eksplosif antara udara dengan hidrogen. Karenanya, sebelum hidrogen diisikan udara harus “didorong” seluruhnya keluar ‘casing’ oleh karbondioksida. Proses sebaliknya berlaku untuk pengosongan ‘casing’ dari hidrogen.


Gambar 21. Sistem pendingin hidrogen

Gambar 22. Hydrogen shaft seals

2. Generator Kutub Tonjol (Salient Pole Generator) 2.1. Konstruksi Umum ‘Salient pole’ generator, umumnya, digunakan pada unit pembangkit hidro. ‘Prime mover’ generator adalah turbin air yang dapat berupa turbin horisontal (kincir Pelton) atau turbin vertikal (turbin Kaplan). Turbin dengan kecepatan antara 80-200 rpm diklasifikasikan sebagai turbin ‘low speed’. Sedangkan klasifikasi ‘high speed’ diberikan kepada turbin dengan kecepatan putar antara 300-600 rpm[3]. Karakteristik turbin air akan mempengaruhi perancangan dari generator, yaitu[3]:


1. Kecepatan putar yang rendah memberikan konsekuensi terhadap jumlah kutub rotor. Untuk mencapai frekuensi listrik (misalnya 50 Hz) dibutuhkan jumlah kutub lebih dari empat buah. Karenanya, rotor dibuat menonjol (salient).

2. Efek kutub tonjol mengakibatkan dimensi generator menjadi besar sehingga memberikan kesulitan tersendiri dalam hal transportasi untuk pemindahan.

3. Inersia air yang besar akan membatasi rancangan diameter generator. Ini disebabkan karena inersia air yang besar dapat menyebabkan turbin mengalami ‘overspeed’ sampai dua kali kecepatan normal jika generator kehilangan beban. Sehingga ukuran diameter generator harus dibatasi untuk mengurangi gaya sentrifugal yang akan terjadi.

4. Kecepatan kritis harus lebih besar dari kemungkinan ‘overspeed’. 5. ‘Thrust bearing’, pada turbin vertikal, digunakan untuk menahan ‘hydraulic

thrust’ serta berat rotor dan turbin. 2.2. Rotor 2.2.1. Badan Rotor ‘Poles’ (kutub-kutub rotor) dipasang di atas badan rotor. Bentuk/susunan badan rotor terhadap poros sangat tergantung dengan kecepatan putar mesin, Gambar 23. Untuk ‘high speed’ rotor, badan rotor dapat dibuat menjadi satu “bentuk” dengan poros rotor. Artinya, badan rotor tidak tersusun terpisah dengan poros. Rancangan lain untuk ‘high speed’ adalah badan rotor dibuat terpisah, dilengkapi dengan ‘stub-shafts’, dan kemudian dipasangkan pada poros rotor. Badan rotor untuk ‘high speed’ rotor juga dapat terdiri dari piringan-piringan tebal yang disatukan dan di’letakkan’ pada poros rotor.

Gambar 23. Konstruksi badan rotor berdasarkan kecepatan putar rotor


Rotor dengan kecepatan sedang (medium speed) dan rendah (low speed) memiliki diameter yang lebih besar. Badan rotor tipe ‘stub-shafts’ dipakai pada putaran rendah jika diameter rotor lebih kecil dari empat meter[3]. Rancangan lainya adalah dengan membentuk badan rotor sperti sarang laba-laba (cast-steel spider) yang kemudian dipasang melingkupi poros rotor, Gambar 24.

Gambar 24. Konstruksi badan rotor tipe cast-steel spider, 1000 rpm

Gambar 25. Badan dan poros rotor untuk 3 MVA, 750 rpm (General Electric)

2.2.2. Poles (Kutub-kutub Rotor) ‘Poles’ terbuat dari plat-plat baja tipis yang disatukan dan di’ikat’ oleh baut pengikat. ‘Poles’ dapat di’baut’kan pada poros rotor jika kecepatan periferal tidak melebihi 25 m/detik[3]. Untuk kecepatan yang lebih tinggi, ‘poles’ harus di’dovetaile’kan seperti terlihat pada Gambar 26.


Gambar 26. Metode peletakan dan penguatan poles ke badan rotor

2.2.3. Belitan Rotor Belitan rotor terdiri dari coil-coil yang tersusun secara ‘rectangular’ melingkupi inti rotor. Bahan pembuat coil adalah tembaga (misalnya jenis silver-bearing copper). Metode peletakan coil-coil pada inti rotor harus dapat mengatasi gaya sentrifugal yang akan dialami oleh coil-coil saat generator dioperasikan. Susunan belitan rotor pada intinya diilustrasikan pada Gambar 27.

Gambar 27. Konstruksi belitan rotor (tanda panah)

Gambar 28. Salient poles rotor dengan 8 kutub (British Thomson-Houston)

2.3. Bearing 2.3.1. Thrust Bearing Konvensional bearing digunakan pada rotor dengan poros horisontal. Untuk poros vertikal, bearing harus mampu menahan ‘hydraulic thrust’ dan berat rotor serta turbin. Karenanya, pada mesin vertikal digunakan ‘thrust bearing’, Gambar 29.


Gambar 29. Thrust bearing untuk 130 MVA generator (English Electric)

Posisi ‘thrust bearing’ dapat berada di atas atau di bawah badan rotor. Jika posisi di atas, bearing harus dilepas terlebih dahulu sebelum rotor dapat diangkat dan beban keseluruhan rotor akan ditanggung oleh kerangka stator. Jika posisi bearing berada di bawah, beban vertikal ditanggung oleh pondasi melalui bearing. 2.3.2. Braking dan Jacking Generator kapasitas besar membutuhkan satu setengah jam untuk berhenti apabila tanpa dilengkapi dengan fasilitas pengereman (braking). Generator dengan poros vertikal, umumnya, dilengkapi dengan sistem pengereman menggunakan media udara atau minyak. Dengan adanya sistem pengereman, rotor generator tidak akan berputar pada kecepatan rendah (misalnya 1 rpm) untuk rentang waktu yang lama sehingga kerusakan pada ‘thrust bearing’ dapat dihindari. Sistem pengereman juga dilengkapi dengan sistem ‘jacking’. Sistem ini digunakan untuk mengangkat rotor beberapa milimeter sehingga minyak pelumas dapat masuk dan melapisi permukaan ‘thrust bearing’. Diagram mekanik sebuah generator vertikal berikut turbinya dapat dilihat pada Gambar 30. Termasuk di dalam gambar tersebut adalah sistem kontrol operasi.


Gambar 30. Diagram pemipaan dan kontrol generator-turbin vertikal

2.4. Stator 2.4.1. Stator Housing Kerangka stator dibuat dari plat-plat baja dan batang-batang pengikat. Perhatian khusus diberikan dalam perancangan apabila kerangka stator memikul ‘thrust bearing’. Pada generator vertikal, kerangka stator “duduk” di atas pondasi. 2.4.2. Inti Stator Tidak terdapat banyak perbedaan dalam rancangan inti stator jika dibandingkan dengan inti pada turbo altenator. Hanya saja, inti stator terdiri dari sektor-sektor dalam jumlah yang besar sesuai dengan diameter generator. Inti stator di’dovetail’kan pada kerangka stator dan menjadi bagian dari kerangka. 2.4.3. Belitan Stator Coil belitan, untuk generator berkapasitas besar, tersusun dua lapisan (two layer coils) pada tiap slot stator. Insulasi coil stator tidak banyak berbeda dengan yang digunakan pada turbo altenator. Permasalahan dalam perancangan belitan dapat terjadi pada


ujung belitan (overhang), di mana ujung-ujung coil akan berukuran panjang dan sukar disatukan. 2.5. Cooling System Sistem pendingin siklus tertutup (closed-circuit cooling system) dengan fan yang terintegrasi dengan poros merupakan sistem pendingin yang umum digunakan pada generator kapasitas besar. Pada generator vertikal, ‘coolers’ terpasang di luar kerangka stator- namun tetap di dalam ruang ‘cooling system’- dan berjumlah antara empat sampai dua belas buah. Gambar 31. Memperlihatkan penampang melintang generator vertikal dengan rating medium. 3. Field Excitation (Penguatan Medan) Medan magnit rotor akan terbentuk jika belitan medan rotor disuplai dengan arus penguatan (excitation) DC. Terdapat dua metode umum dalam menyuplai arus DC tersebut, yaitu:

1. Arus penguatan DC, yang bersumber dari sumber DC eksternal, disuplai ke belitan rotor melalui ‘slip rings’/’collector rings’ dan sikat arang (brushes)

2. Arus penguatan DC disuplai oleh sumber DC yang terintegrasi langsung dengan poros rotor generator.


Gambar 31. Penampang melintang generator vertikal (British Thomson-Houston)

Aplikasi metode penguatan medan rotor melalui ‘slip rings’ dan ‘brushes’ memerlukan perhatian khusus dilihat dari sisi pemeliharaan generator. Hal ini terjadi karena secara alami ‘brushes’, yang bergesekan langsung dengan ‘slip rings’, akan memendek dalam jangka waktu tertentu. Sehingga pemeriksaan secara regular terhadap kondisi ‘brushes’ harus dilakukan. Permasalahan lain adalah timbulnya drop tegangan pada ‘brushes’ yang merupakan penyebab utama terjadinya ‘losses’ daya pada harga arus penguatan DC yang tinggi. Metode penguatan dengan menggunakan sumber DC yang terintegrasi langsung dengan poros akan menghilangkan peran ‘slip rings’ dan ‘brushes’. Karenanya metode ini sering disebut juga dengan metode ‘brushless exciter’. Dengan tanpa kehadiran ‘brushes’, maka kedua permasalahan dalam menyuplai arus penguatan DC seperti diuraikan di atas dapat dihilangkan.


‘Brushless exciter’ adalah generator AC kapasitas kecil- selanjutnya disebut generator penguat (exciter generator)- dengan belitan medan berada pada stator dan belitan jangkar (armature) berada pada poros rotor generator utama. Keluaran tiga fasa yang dihasilkan pada belitan jangkar kemudian disearahkan (rectified) oleh penyearah tiga fasa yang juga berada pada poros rotor generator utama, Gambar 32. Hasil penyearahan digunakan untuk menyuplai belitan medan generator utama. Pengaturan kuat medan magnit DC pada belitan rotor generator utama dilakukan dengan mengatur nilai arus DC pada belitan medan generator penguat. Pengembangan metode di atas berikutnya adalah dengan menghadirkan ‘pilot exciter’. ‘Pilot exciter’ adalah generator AC kapasitas kecil yang memiliki ‘permanent magnets’ yang berada pada poros rotor generator utama dan belitan jangkar tiga fasa pada statorya. ‘Pilot exciter’ akan menyuplai daya DC ke belitan medan generator penguat. Pengaturan terhadap suplai daya DC ini akan mengatur kuat medan magnit yang dihasilkan oleh belitan rotor generator utama. Jadi, dengan adanya ‘pilot exciter’ memungkinkan generator dioperasikan tanpa sumber daya DC eksternal, Gambar 33.

Gambar 32. Brushless Exciter


Gambar 33. Brushless exciter dengan Pilot Exciter

4. Daftar Acuan

1. Chapman, Stephen J.; Electric Machiney Fundamentals; McGraw-Hill, Inc.; Singapore; 1991

2. GE Power Systems; GEK 46097D- Journal Bearings; Schenectady, N. Y.; 1992 3. Say, M. G.; The Performance and Design of Alternating Current Machines-

Transformers, Three-Phase Induction Motors and Synchronous Machines; Sir Isaac Pitman and Sons, Ltd.; London; 1970

4. Shigley, J. E. and C. R. Mischke; Mechanical Engineering Design; McGraw-Hill, Inc.; Singapore; 1989

5. Zawoysky, R. J. and K. C. Thomson; Generator Rotor Design, Operational Issue, and Refurbishment Options; GE Power System, Schenectady, N. Y.; 2001


Gen Constr Rev

Documents