Peran Penting UPS pada Pembangkit Listrik

Mendengar kata UPS bayangan anda pastinya tertuju pada sebuah perangkat elektronik atau perangkat listrik yang digunakan sebagai power backup untuk perangkat komputer saat listrik utama padam. Persepsi ini tidaklah salah, untuk kebanyakan orang awam, UPS memang banyak ditemukan pada perangkat komputer, terlebih komputer tersebut sifatnya tidak  boleh padam.

UPS adalah kepanjangan dari uninterruptible power supply yang artinya adalah power supply bebas gangguan. Secara istilah, UPS adalah perangkat yang biasanya menggunakan baterai backup sebagai catuan daya alternatif, untuk dapat memberikan suplai daya saat sumber supply daya utama tidak bisa supply dikarenakan gangguan.

Skema umum instalasi UPS

Gambar diatas adalah skema umum dari instalasi UPS dimana ketika sumber listrik AC jala-jala padam maka UPS akan mengambil alih peran pasokan listrik menuju beban essential secala full redundant atau online backup tanpa ada kedipan listrik akibat switching change over yang bisa mengganggu sistem di beban.

Noted: Istilah sumber listrik AC disini bukan sumber listrik untuk AC pendingin ruangan ya guys... maksudnya adalah Alternating Current atau listrik arus bolak-balik ...:)

Adapun emergency genset digunakan untuk proses charging battery UPS sebelum battery tersebut habis karena proses discharge mensupply beban saat emergency. Genset emergency ini juga bisa terinstalasi untuk beban-beban lain seperti lighting dan sejenisnya selain untuk mensupply charger battery UPS tersebut.

Instalasi Genset tersebut bisa dikondisikan sesuai perancangan, biasanya operasi genset menggunakan automatic main failure (AMF) dimana ketika listrik mati maka UPS akan mengambil alih beban listrik, dan AMF akan memerintahkan genset untuk operasi secara otomatis mengambil alih beban-beban tertentu termasuk sumber charging battery UPS.

Untuk beberapa sistem kelistrikan, peran UPS sangat vital sekali dan tidak bisa digantikan perangkat lain. Instalasi rumah sakit, komputer server serta pembangkit listrik merupakan salah satu pengguna UPS yang sifatnya wajib ada atau wajib terinstalasi UPS, HARUS !!!

Bayangkan saja ketika seorang dokter rumah sakit sedang melakukan operasi, kemudian sistem kelistrikan rumah sakit padam, nyawa pasien sudah pasti akan terancam.

Bayangkan juga ketika sebuah komputer server pada sebuah bank misalnya sedang melakukan transaksi online kemudian server tersebut mati, validasi transaksi pastinya bisa terganggu.

Bayangkan juga jika pada sebuah produksi di industri terdapat server dan monitor untuk melakukan monitoring parameter penting kemudian komputer tersebut mati, maka keberlangsungan produksi di industri tersebut pasti terganggu.

Bagaimana dengan pentingnya UPS pada pembangkit listrik? Yang ini tidak perlu dibayangkan ya, Saya khawatir anda jadi banyak melamun kebanyakan ngebayangin dan akhirnya lupa untuk baca bahasan berikut diartikel ini, he..he..

Langsung saja, pada bahasan ini saya akan mengupas tentang sistem UPS pada pembangkit listrik dengan bahasan yang pastinya praktis dan sederhana seperti biasanya. Bahasan lebih kompleks dan sistematis anda bisa mereferensi pada buku-buku atau literasi formal ya... minimal dengan artikel ini anda tau konsep dasarnya dan itu merupakan konsep dasar penting untuk anda bisa berkembang lagi dengan pengetahuan dan pemahaman lanjutan.

Komponen UPS Pembangkit

Pada UPS (tidak hanya di pembangkit saja), pada dasarnya terdapat 3 atau 4 buah komponen penting yaitu : Charger, battery, Dropper dioda dan Inverter. Pada unit pembangkit, komponen UPS ini akan terintegrasi dengan sebuah genset sebagai supply emergency khususnya untuk sumber charging battery ketika battery berada pada kondisi proses discharge mensupply beban-beban essential pembangkit saat kondisi supply normal padam.

Konsep dasarnya adalah ketika pembangkit mengalami gangguan blackout, maka beban essential pembangkit diantaranya adalah beberapa lighting, sistem kontrol pembangkit, sistem kontrol switchgear atau breaker, sistem pelumasan pembangkit, dan sejenisnya tidak boleh terganggu.

Jika beban essential pada pembangkit tersebut ikut terganggu maka akan menimbulkan dampak lebih serius yaitu tidak standby nya sistem pembangkit untuk segera melakukan proses recovery sehingga perlu pengkondisian khusus pada pembangkit tersebut yang bisa memakan waktu lama sehingga proses blackstart menjadi terkendala, sedangkan aspek reliability pada sebuah pembangkit sangatlah penting. SAIDI dan SAIFI dalam istilah kelistrikan pada kondisi ini pastinya menjadi pertaruhan.

SLD sistem UPS

1. Charger

Pada charger terdapat 2 komponen inti yaitu: Rectifier sebagai penyearah dan blocking dioda sebagai proteksi.

Rectifier adalah perangkat listrik atau elektronik yang berfungsi menyearahkan gelombang arus listrik. Arus listrik yang semula berupa arus bolak-balik (AC) jika dilewatkan rangkaian Penyearah akan berubah menjadi arus searah (DC).

Sedangkan blocking dioda berfungsi untuk mem-block atau menahan mengalirnya arus balik dari luar sistem masuk kedalam charger yang bisa berpotensi merusak charger  tersebut.

Loh, arus diluar sistem yang bisa masuk charger asalnya darimana?

Fenomena ini bisa terjadi ketika sistem charger terinstalasi full redundant atau paralel dengan charger lain. jadi arus balik yang dimaksud adalah arus dari charger lain dalam satu sistem paralel instalasi antar charger. Nah, blocking dioda inilah yang menjadi proteksi agar antar charger tidak saling merusak tetapi saling mendukung satu sama lain.

Untuk Charger yang berdiri sendiri,  blocking dioda ini kadang tidak ditemukan atau tidak terinstalasi, karena memang pada sistem charger mandiri blocking dioda tersebut tidak terasa manfaatnya.

Charger battery

Pada sistem UPS, rectifier merupakan komponen utama dari charger yang berfungsi sebagai penyearah arus listrik untuk sumber supply pengisian battery sekaligus sumber supply beban essential AC dan DC pada kondisi normal atau Un-emergency.

Pada dasarnya rectifier ini dibagi lagi jenisnya menjadi 2, yaitu rectifier setengah gelombang dan rectifier gelombang penuh. Rectifier setengah gelombang dalam dunia aplikasi sangat jarang dipakai karena kualitas listrik DC yang dihasilkan kurang bagus, lain halnya dengan rectifier gelombang penuh.

Saya akan membatasi pembahasan rectifier ini pada rectifier gelombang penuh saja ya.

Komponen penting dalam rectifier ini adalah dioda penyearah. Secara sederhana prinsip kerja dari dioda ini adalah berfungsi sebagai saklar tertutup (mengalirkan arus) saat anoda (tanda segitiga) lebih positif dari katoda (tanda setrip - diujung tanda segitiga), pun demikian sebaliknya, dioda ini akan berfungsi sebagai saklar terbuka (tidak mengalirkan arus) saat katoda lebih positif dari anoda.

A. Penyearah gelombang penuh  sumber 1 phasa

Rectifier gelombang penuh sumber 1 phasa

Penjelasan gambar diatas adalah sebagai berikut:

Saat sumber AC berada pada siklus positif-negatif, maka arus positif mengalir melalui dioda D1 menuju titik P, sedangkan arus negatif akan mengalir melalui dioda D2 menuju titik N. Pada siklus ini dioda D3 dan D4 berfungsi sebagai saklar terbuka karena katoda lebih positif dari anoda.

Saat sumber AC berada pada siklus negatif-positif, maka arus negatif mengalir melalui dioda D4 menuju titik N, sedangkan arus positif pada kondisi ini akan mengalir melalui dioda D3 menuju titik P. Pada siklus ini dioda D1 dan D2 berfungsi sebagai saklar terbuka karena katoda lebih positif dari anoda.

Oleh karena itu sistem penyearah ini, gelombang arus positif ataupun negatif akan menghasilkan siklus positif saja pada outputnya, sehingga disebut penyearah gelombang penuh.

Nilai kualitas output yang bergelombang / tidak rata bisa dikompensasi dengan menggunakan komponen tambahan yaitu capasitor dan atau induktor sebagai filter.

B. Penyearah gelombang penuh sumber 3 phasa

Rectifier gelombang penuh sumber 3 phasa

Sama halnya dengan penjelasan gambar rectifier sebelumnya, pada rectifier gelombang penuh dengan sumber AC 3 phasa penjelasannya adalah sebagai berikut:

Saat sumber AC berada pada siklus positif-negatif, maka arus positif R, S dan T akan mengalir melalui dioda D1, D3 dan D5 menuju titik P. Pada kondisi ini dioda D2, D4 dan D6 berfungsi sebagai saklar terbuka karena katoda lebih positif dari anoda. Untuk arus negatif R, S dan T pada siklus ini akan mengalir melalui dioda D2, D4 dan D5 menuju titik N. Pada kondisi ini dioda D1, D3 dan D5 berfungsi sebagai saklar terbuka karena katoda lebih positif dari anoda.

Begitulah seterusnya sehingga akan dihasilkan output gelombang dengan kualitas lebih baik dibandingkan sumber rectifier 1 phasa, karena pada sumber rectifier 3 phasa ini siklus positif tertinggi akan muncul lebih sering dari R kemudian S dan T (lihat gambar output gelombang pada rectifier diatas).

Nilai kualitas output yang agak bergelombang / sedikit tidak rata bisa dikompensasi dengan menggunakan komponen tambahan yaitu capasitor dan atau induktor sebagai filter.

2. Battery

Untuk battery yang digunakan pada UPS ini harus mempunyai karakteristik rechargeable atau bisa melakukan pengisian dan pengosongan berkali-kali serta mampu menyimpan muatan listrik dalam jangka waktu yang lama sesuai kebutuhan. Spesifikasi kekuatan battery menyimpan muatan terhadap fungsi waktu adalah berdasarkan nilai amper hour (Ah), atau mungkin anda lebih familiar dengan istilah mAh (mili ampere hour) yang sering anda jumpai pada battery atau power bank smart phone anda.

Bagaimana parameter Ah atau mAh battery hubungannya terhadap beban (watt)?

Untuk konsep dasar atau langkah awal memahami jawaban dari pertanyaan ini bisa anda baca pada artikel saya terdahulu yang berjudul "1 mAh berapa Watt?",ketika anda paham dengan konsep ini silahkan anda kembangkan atau terapkan dalam aplikasi pembangkit.

Selain spesifikasi Ah, spesifikasi tegangan battery juga menjadi informasi penting. Biasanya spesifikasi ini ditampilkan sebagai tegangan battery per cell. Jika tegangan battery per cell adalah 2 volt, maka anda membutuhkan 110 buah cell battery yang dipasang seri untuk menghasilkan sistem DC 220V. Hitungannya sederhana, semoga bisa anda pahami ya.

Contoh battery pada UPS pembangkit

Untuk jenis battery dari UPS ini dibagi menjadi 2 jenis battery yaitu battery basah dan battery kering dengan keunggulan dan kerugian masing-masing.

Keunggulan dari battery basah bisa memiliki umur atau life time lebih tinggi (syarat dan ketentuan berlaku ..:)). Kerugiannya adalah faktor servis atau inspeksi atau monitoring yang tinggi, harus berkala karena harus menjaga level air battery tetap berada pada level aman. Kita tahu bahwa semakin tinggi suhu battery akan berimbas pada penguapan pada air battery sehingga potensi turunnya level air battery dibawah level aman bisa terjadi.

Adapun keunggulan dari battery kering adalah minimnya biaya perawatan atau bisa dibilang free of services atau bisa dibilang juga run to failure, meskipun untuk inspeksi dan monitoring level tegangan battery perlu dilakukan terjadwal. Kerugiannya adalah pada spesifikasi yang sama dengan battery basah, harga battery kering lebih mahal dibanding battery basah. Pemilihan dari kedua jenis battery ini pastinya bisa dikaji lebih lanjut sesuai dengan kebutuhan.

Untuk pengetahuan mengenai battery terhadap karakteristik arus dan tegangan saat charge, float voltage, boost voltage, tegangan desain, mAh yang diperlukan, serta hal lainnya  mudah-mudahan bisa saya bahas diartikel terpisah ya, disini kepanjangan..he..he..

3. Dropper dioda

Seperti namanya, dropper dioda berfungsi men-dropp atau menurunkan tegangan yang berasal dari charger menjadi tegangan dengan nilai tegangan kerja beban DC yang disupply.

Kenapa harus memakai dropper dioda?

Jika tidak memakai dropper dioda resikonya adalah tegangan beban DC yang disupply dari sistem battery dan charger akan mendapat  tegangan kerja sama dengan tegangan output charger yaitu 10% sampai dengan 15% dari tegangan battery. Akibatnya, beban DC akan  mendapat tegangan diatas tegangan kerjanya.

Contoh, untuk sistem DC 220V, beban DC essential biasanya didesain mempunyai tegangan kerja sama dengan tegangan battery yaitu 220 Volt DC. Artinya ketika kondisi gangguan, tegangan kerja beban essential DC akan mendapatkan tegangan dari battery sesuai dengan tegangan kerjanya.

Tetapi, pada kondisi normal, beban DC tersebut terhubung langsung dengan battery dan charger. Tegangan charger adalah tegangan float yaitu tegangan yang dinaikkan sekitar 10% dari tegangan battery dengan tujuan agar battery pada kondisi ini adalah posisi diisi / charging. Sehingga pada kondisi ini tegangan yang terukur di battery sama dengan tegangan charger yaitu 220 + 10% (220) = 242 Volt DC.

Tegangan float inilah yang diinputkan ke beban essential DC 220Volt via dropp dioda sehinga output tegangan menuju beban essential DC adalah 220 VDC. Artinya tegangan charger di dropp sebesar 242V - 220V = 22 Volt.

Berapa dioda dropp yang dibutuhkan untuk men-dropp tegangan sebesar 22 Volt?

Jika 1 dioda secara umum mampu men-dropp kan 0.67 Volt, maka dioda yang dibutuhkan untuk men-dropp kan tegangan sebesar 22 Volt adalah: 22/0.67 = 33 buah yang dipasang serial. Spesifikasi dioda dropp silahkan menyesuaikan sesuai desain.

Dropper dioda

Gambar diatas merupakan contoh pemasangan dropper dioda. v032, v033, v034, v035 adalah dropper dioda yang dimaksud. Sedangkan k032, k033, k034, k035 merupakan kontak otomatis yang bekerja untuk menjaga supaya output dari dioda dropper adalah memenuhi tegangan kerja dari beban essential DC yang disupply, selanjutnya kontak tersebut saya sebut sebagai kontak bypass dioda dropp.

Jika per dioda dropper sebesar 0.67 Volt maka total dropper dioda diatas pada posisi k032 sampai k035 open atau terbuka adalah 4 x 0.67VDC = 2.68 VDC, jika salah satu kontak bypass dioda dropp k032 sampai k035 ada yang close atau menutup, berarti jumlah dropp dioda yang terpasang seolah-olah adalah 3 dioda dropper saja. Perhitungan besarnya tegangan yang bisa di dropp bisa dilakukan seperti cara yang tadi dijelaskan.

Cara kerja open dan close dari kontak bypass dioda dropp diatas adalah dilakukan full auto dari sistem kontroller tegangan. Untuk kondisi tertentu bisa ditambahkan kontak manual yang dipasang paralel dengan bypass kontak dioda drop tersebut.

4. Inverter

Inverter adalah perangkat listrik yang berfungsi untuk merubah arus listrik DC menjadi listrik AC. Pada UPS, proses perubahan listrik DC dan AC diperlukan untuk mensupply beban-beban essential AC saat blackout atau gangguan dengan sumber pasokan listrik dari battery UPS.

Gambar diatas merupakan contoh inverter dimana sumber listrik DC sebagai input dirubah menjadi AC sebagai output melalui komponen elektronik yang sudah diinstalasi dengan skema khusus. Prinsip kerja lebih detail dari inverter ini saya tidak akan bahas diartikel ini ya, silahkan googling di sumber lain ...:)

Rotary Inverter

Rotary inverter atau bisa disebut juga rotary converter adalah metode lain dari penyearah listrik AC menjadi DC dimana pada proses perubahan jenis arus listrik tersebut tidak menggunakan komponen elektronik seperti inverter pada umumnya, tetapi menggunakan perangkat mesin listrik.

Rotary inverter

Sumber AC dari jala-jala akan disearahkan oleh rectifier dan mengisi busbar DC. Pada busbar DC, power akan didistribusikan untuk charging battery dan untuk beban-beban essential DC. Untuk proses inverter merubah listrik DC menjadi listrik AC untuk supply beban-beban essential AC dilakukan dengan rotary inverter.

Proses rotary inverter dilakukan dengan cara power dari busbar DC dialirkan untuk memutar motor DC yang dikopel langsung dengan generator AC. Dari generator AC inilah keluar listrik AC untuk supply ke busbar essential AC.

Hal yang harus diperhatikan dari proses rotary inverter ini adalah spesifikasi motor DC harus memiliki tegangan kerja sama dengan output tegangan dari busbar DC serta putaran motor yang memutar generator harus mengakomodir nilai frekuensi listrik AC yang ingin dicapai. Rumus putaran motor atau generator terhadap frekuensi adalah:

n = 120 F/P

n = putaran (rpm); F = frekuensi (Hz); dan P = Jumlah kutub generator (pcs).

Untuk spesifikasi generatornya pun harus sesuai dengan kondisi beban dan parameter listrik yang diinginkan.

Demikian artikel tentang peran penting UPS pada pembangkit listrik, untuk bahasan lanjutan dari artikel ini seperti penentuan spesifikasi battery, karakteristik battery, studi kasus manufer UPS saat gangguan dan sebagainya mudah-mudahan bisa saya bahas dilain kesempatan.

Semoga artikel ini bermanfaat bagi anda, masukan dan saran silahkan meninggalkan pesan dikolom komentar.

NB: Artikel ini disadur ulang dengan ijin penulisnya langsung dari web blog listrik-praktis.com dengan judul artikel pentingnya UPS pada pembangkit listrik.

Wassalam.

Share this post