Analisis Performa Generator Induksi Penguatan Sendiri Tiga Phasa Pada Kondisi Steady State (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

(1)

TUGAS AKHIR

ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN

SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE

(Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Konsetrasi Energi Listrik

Oleh :

NAMA

: MUHAMMAD IQBAL

NIM

: 060402059

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN


(2)

ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN

SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE

(Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik)

Oleh :

Muhammad Iqbal NIM : 060402059

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro

Disetujui oleh : Dosen Pembimbing,

Ir. Sumantri Zulkarnaen NIP : 1947 0503 1973 061 001

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si NIP : 1954 0531 1986 011 002

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN


(3)

ABSTRAK

Analisis steady state penting dilakukan untuk memastikan kualitas daya yang bagus dan menilai kesesuaian konfigurasi terhadap aplikasi-aplikasi tertentu. Dalam menganalisis steady sta te, metode yang digunakan untuk mengetahui performa Generator Induksi Penguatan Sendiri adalah dengan menggunakan data parameter-parameter mesin induksi tersebut sehingga dampak dari parameter-parameter-parameter-parameter ini dapat dinilai. Dengan demikian dilakukanlah pengujian-pengujian terhadap Generator Induksi Penguatan Sendiri tersebut sehingga diperoleh data parameter-parameter yang diinginkan.


(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE.

Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada :

1. Allah SWT, karena hanya dengan limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis bias menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Kedua Orang Tua saya yang tidak pernah berhenti memberi dukungan, semangat dan doanya kepada saya.

3. Bapak Ir.Sumantri Zulkarnaen, sebagai dosen pembimbing tugas akhir saya yang sangat besar bantuannya dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

4. Bapak Ir. T.Ahri Bachriun, Msc selaku Dosen Wali penulis selama menyelesaikan pendidikan di kampus USU.

5. Bapak Ir. Tarmizi Kasim, Msi selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.


(5)

6. Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

7. Bang Isroy Tanjung dan rekan-rekan penghuni Laboratorium Konversi Energi

Listrik seperti Fery ‟07, Ardy ‟07, Faisal ‟06, Syawali ‟08, Aji ‟08, Fahdi ‟08, Syamsyarief ‟08.

8. Rekan-rekan satu stambuk yang telah lulus terlebih dahulu Martua ST, Randi ST, (alm) Nasir Andi Hakim ST, Azhary ST, Rozi ST, Salman ST, Helmi ST, Agung ST, Bale ST dan lain-lain yang telah memotivasi penulis dalam mengerjakan tugas akhir ini.

9. Senior-senior yang telah memberi saran dan inspirasi penulis seperti bang Eko

‟04, bang Ari ‟04, bang Adi ‟04,bang Ronal ‟04, bang Zuki ‟04, bang Made ‟04, bang Augus ‟04, bang Megi ‟05, bang Dedi ‟05, bang Muhfi ‟04, bang Hans ‟04, bang Haris ‟04 dan lain-lain.

10.Seluruh Staff Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU. 11.Teman-teman stambuk‟06 yang telah banyak memberi bantuan untuk

terselesaikannya TA ini. Baik berupa Ide, Kritik/Saran, Printer, serta Kebersamaan dalam banyak hal yang telah sangat membantuku seperti Ibenk, Khalid, Supenson, Rinaldo, Tian, Fauzi, Frans dan lain-lain.

Penulis meyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.


(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK --- i

KATA PENGANTAR --- ii

DAFTAR ISI --- iv

DAFTAR GAMBAR --- viii

DAFTAR TABEL --- xi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang --- 1

1.2 Tujuan Penulisan --- 2

1.3 Manfaat Penulisan --- 2

1.4 Batasan Masalah --- 2

1.5 Metode Penulisan --- 3

1.6 Sistematika Penulisan --- 3

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA 2.1 Umum --- 6

2.2 Konsruksi Motor Induksi Tiga Fasa --- 7

2.2.1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Tupai-- 9

2.2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Belitan-- --- 11


(7)

2.3.1 Analisis Secara Vektor --- 14

2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa --- 16

2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa --- 17

2.6 Aliran Daya pada Motor Induksi --- 23

2.7 Efisiensi --- 25

2.8 Desain Kelas Motor Induksi --- 27

2.9 Penentuan Parameter Motor Induksi --- 28

2.9.1 Pengujian Tanpa Beban (No Load Test)--- 28

2.9.2 Pengujian Tahanan Stator (DC Test)--- ---- 30

2.9.3 Pengujian Rotor Tertahan (Block Rotor Test)--- 31

BAB III GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI 3.1 Umum --- 34

3.2 Klasifikasi Generator Induksi --- 35

3.2.1. Berdasarkan Konstruksi Rotor--- - 35

3.2.1.1 Generator Induksi Rotor Sangkar--- 35

3.2.1.2 Generator Induksi Rotor Belitan---35

3.2.2. Berdasarkan Proses Eksitasi--- ---- 36

3.2.2.1 Generator Induksi Terhubung ke Jaringan Listrik--- 36

3.2.2.2 Generator Induksi Penguatan Sendiri--- --- 36

3.3 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri --- 37

3.4 Proses Pembangkitan Tegangan --- 39

3.5 Slip --- 42

3.6 Frekuensi Rotor --- 43

3.7 Aliran Daya Nyata Generator Induksi Penguatan Sendiri --- 44


(8)

3.9 Kapasitor --- 46

3.9.1. Kapasitor Hubungan Delta ( Δ )--- 46

3.9.2. Kapasitor Hubungan Bintang ( Y )---46

3.9.3. Pemasangan Kapsitor--- --- 47

3.10 Keuntungan & Kelemahan Generator Induksi --- 47

BAB IV ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE 4.1 Umum --- 49

4.2 Pemodelan Generator Induksi Penguatan Sendiri secara Matematis --- 49

4.3 Formulasi Penyelesaian Masalah --- 51

4.3.1. Menentukan Parameter-Parameter Mesin Induksi --- 51

4.3.2. Menentukan Parameter-Parameter Mesin Induksi dalam sistem per unit--- 53

4.3.3. Karakteristik Beban Nol --- 54

4.4 Penyelesaian Masalah --- 61

4.5 Algorithma dan Flow Chart--- -- 66

4.6 Analisis Performa Generator Induksi Penguatan Sendiri pada kondisi Steady State--- 69


(9)

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan --- 81

5.2 Saran --- 81

DAFTAR PUSTAKA --- 82

LAMPIRAN A--- 84


(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi motor induksi --- 7

Gambar 2.2 Komponen Stator motor induksi tiga phasa --- 8

Gambar 2.3 Konstruksi rotor motor induksi rotor sangkar --- 10

Gambar 2.4 Konstruksi motor induksi rotor sangkar --- 11

Gambar 2.5 Skematik motor induksi rotor belitan --- 12

Gambar 2.6 Konstruksi motor induksi rotor belitan --- 12

Gambar 2.7 Diagram phasor fluksi tiga phasa dan Arus tiga phasa setimbang--13

Gambar 2.8 Medan putar pada motor induksi tiga phasa --- 14

Gambar 2.9 Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar --- 14

Gambar 2.10 Diagram vector untuk fluks total pada keadaan t1, t2 t3, t4 --- 15

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen Stator --- 18

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen Rotor --- 21

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen Motor Induksi --- 21

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen Motor Induksi dilihat dari sisi Stator --- 22

Gambar 2.15 Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator --- 22

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan mengabaikan tahanan Re --- 23

Gambar 2.17 Aliran Daya Motor Induksi --- 24


(11)

Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan Block Rotor Test

--- 32

Gambar 3.1 Generator Induksi Terhubung Jaringan Listrik --- 36

Gambar 3.2 Generator Induksi Penguatan Sendiri --- 37

Gambar 3.3 Karakteristik torsi kecepatan mesin induksi --- 38

Gambar 3.4 Rangkaian Proses Pembangkitan Tegangan --- 39

Gambar 3.5 Rangkaian ekivalen per phasa Generator Induksi Penguatan sendiri ---40

Gambar 3.6 Proses pembangkitan tegangan --- 41

Gambar 3.7 Tegangan fungsi kapasitor eksitasi --- 42

Gambar 3.8 Diagram Aliran Daya nyata --- 44

Gambar 4.1 Rangkaian Ekivalen mesin induksi --- 50

Gambar 4.2 Rangkaian Ekivalen satu phasa beban nol --- 54

Gambar 4.3 Kurva karakteristik beban nol mesin induksi 3 phasa --- 58

Gambar 4.4 Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi penguatan sendiri ---61

Gambar 4.5 Flow Chart perhitungan analisis performansi generator induksi pada kondisi steady state dengan menggunakan metode Newton Rhapson --- 68

Gambar 4.6 Kurva Arus Beban ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan ( --- --77

Gambar 4.7 Kurva Tegangan Beban ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan Faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan( --- 78


(12)

Gambar 4.8 Kurva Daya Output ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan( --- 79 Gambar 4.9 Kurva Efisiensi ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan faktor

daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan ( --- 79


(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Pengujian beban nol, rotor tertahan dan pengukuran tahanan dc 51 Tabel 4.2 Data pengujian beban nol motor induksi 3 phasa --- 55 Tabel 4.3 Hasil data perhitungan nilai dan dalam satuan per unit -- 57 Tabel 4.4 Skema cara mencari beda terbagi hingga pertama, kedua, hingga ketiga ---59 Tabel 4.5 Data persamaan polynomial derajat 5 untuk persamaan magnetisasi -- 60 Tabel 4.6 Data variasi kapasitansi eksitasi ( ) dan variasi beban

dengan menjaga kecepatan tetap konstan ( ) terhadap frekuensi , reaktansi magnetisasi dan tegangan ccelah udara --- 73 Tabel 4.7 Data variasi kapasitansi eksitasi ( ) dan variasi beban

Dengan menjaga kecepatan tetap konstan ( ) terhadap dan ---75


(14)

ABSTRAK

Analisis steady state penting dilakukan untuk memastikan kualitas daya yang bagus dan menilai kesesuaian konfigurasi terhadap aplikasi-aplikasi tertentu. Dalam menganalisis steady sta te, metode yang digunakan untuk mengetahui performa Generator Induksi Penguatan Sendiri adalah dengan menggunakan data parameter-parameter mesin induksi tersebut sehingga dampak dari parameter-parameter-parameter-parameter ini dapat dinilai. Dengan demikian dilakukanlah pengujian-pengujian terhadap Generator Induksi Penguatan Sendiri tersebut sehingga diperoleh data parameter-parameter yang diinginkan.


(15)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Generator Induksi Penguatan Sendiri relatif digunakan sebagai sumber energi terbaharukan seperti Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTAngin), Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dan sebagainya. Namun buruknya kualitas regulasi tegangan menjadi faktor utama kelemahan Generator Induksi Penguatan Sendiri ini disamping perlunya daya reaktif dan buruknya faktor daya. Meskipun demikian, Generator Induksi Penguatan Sendiri memiliki beberapa kelebihan dibandingkan Generator Sinkron yang sering dipakai pada umumnya seperti konstruksinya sederhana karena tidak memerlukan sikat dan komutator, harganya murah, tidak memerlukan perawatan khusus , mudah dalam mengoperasikannya, memiliki respon dinamik yang baik dan mampu membangkitkan daya pada kecepatan yang berbeda.

Untuk mengkaji lebih dalam kinerja dari Generator Induksi Penguatan Sendiri, maka perlu dilakukan analisis pada kondisi steady state. Pada sistem tertutup, dimana tegangan terminal dan frekuensi tidak diketahui dan dengan mengetahui parameter-parameter mesin induksi tersebut maka performa-performa Generator Induksi Penguatan Sendiri terhadap kapasitansi, kecepatan dan kondisi pembebanan yang diberikan dapat diketahui melalui analisis kondisi steady state


(16)

yang terhubung dengan bus bar infinite, maka performa-performa mesin dapat diperkirakan dengan mudah.

1.2 Tujuan Penulisan

1. Mengetahui performa Generator Induksi Penguatan Sendiri 3 phasa pada steady state

1.3 Manfaat Penulisan

Adapun manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah dapat memberikan informasi kepada penulis maupun pembaca tentang cara mengetahui performa Generator Induksi Penguatan Sendiri pada kondisi Steady-State.

1.4 Batasan Masalah

Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan apa yang diharapkan serta terarah pada judul dan bidang yang telah disebutkan diatas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas sebagai berikut.

1. Tidak membahas masalah transient.

2. Mesin induksi yang digunakan merupakan mesin induksi rotor sangkar tupai yang terdapat pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU.

3. Tidak membahas gangguan yang timbul pada motor induksi. 4. Tidak membahas harmonisa yang timbul pada motor induksi. 5. Tidak membahas rugi-rugi yang timbul dan rugi-rugi inti diabaikan. 6. Analisis yang dibahas merupakan kondisi yang seimbang.


(17)

7. Analisis perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik.

8. Analisis yang dilakukan hanya berdasarkan perhitungan matematis.

1.5 Metode Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain.

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU.

3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran mengenai tulisan ini, secara singkat dapat diuraikan sistimatika penulisan sebagai berikut:


(18)

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini mengatur tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan, serta sistematika penulisan.

BAB II : MOTOR INDUKSI 3 PHASA

Bab ini membahas tentang penjelasan motor induksi secara umum meliputi konstruksi, prinsip medan putar, prinsip kerja, rangkaian ekivalen, aliran daya, torsi, efisiensi, serta penentuan parameter motor induksi tiga fasa.

BAB III : GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI

Bab ini berisi pembahasan mengenai generator induksi secara umum, keuntungan dan kerugian generator induksi, klasifikasi generator induksi, aplikasi generator induksi, prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri, proses pembangkitan tegangan dan rangkaian ekivalen, aliran daya generator induksi penguatan sendiri.

BAB IV : ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI

PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE

Bab ini berisikan tentang parameter-parameter generator induksi penguatan sendiri, model mesin induksi pada kondisi steady state, rangkaian ekivalen generator induksi penguatan sendiri, penyelesaian masalah, algorithma dan flow chart perhitungan dan hasil perhitungan dan pembahasan.


(19)

BAB V : PENUTUP

Berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil pembahasa-pembahasan sebelumnya.


(20)

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA FASA

2.1 UMUM

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke rotornya, dimana arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.

Mesin ini juga disebut mesin asinkron (mesin tak serempak), hal ini dikarenakan putaran motor tidak sama dengan putaran fluks magnet stator. Dengan perkataan lain, bahwa antara rotor dan fluks magnet stator terdapat selisih perputaran yang disebut dengan slip.

Pada umumya motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga fasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga fasa sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi juga memiliki beberapa kelemahan.

Keuntungan motor induksi tiga fasa:

1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat (konstruksi hampir tidak pernah terjadi kerusakan, khususnya tipe squirel cage).


(21)

3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang diakibatkannya dapat dikurangi.

4. Tidak memerlukan starting tambahan dan tidak harus sinkron. Kerugian motor induksi tiga fasa:

1. Kecepatan tidak dapat berubah tanpa pengorbanan efisiensi. 2. Kecepatannya menurun seiring dengan pertambahan beban. 3. Kopel awal mutunya rendah dibanding dengan motor DC shunt.

2.2 KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan, karena konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada Gambar 2.1.

Rotor

Stator


(22)

Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan mengalirkan arus phasa. Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan phasa dimana untuk motor tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120o. Kawat kumparan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar 2.2.(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.

Gambar 2.2 Komponen Stator motor induksi tiga fasa

(a) Lempengan inti, (b) Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya, (c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator.


(23)

Diantara stator dan rotor terdapat celah udara yang merupakan ruangan antara stator dan rotor. Pada celah udara ini lewat fluks induksi stator yang memotong kumparan rotor sehingga meyebabkan rotor berputar. Celah udara yang terdapat antara stator dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga didapatkan hasil kerja motor yang optimum. Bila celah udara antara stator dan rotor terlalu besar akan mengakibatkan efisiensi motor induksi rendah, sebaliknya bila jarak antara celah terlalu kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada mesin. Adapun tipe-tipe motor induksi tiga phasa berdasarkan konstruksi rotornya yaitu motor induksi tiga phasa rotor sangkar tupai ( squirrel-cage rotor) dan motor induksi tiga phasa rotor belitan ( wound rotor). Kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.

2.2.1. Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Tupai

Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat listrik. Lilitan fasa ini dapat tersambung dalam

hubungan delta ( Δ ) ataupun bintang ( Υ ). Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.3 di bawah ini.


(24)

Batang Poros

Kipas Laminasi Inti

Besi

Aluminium

Cincin Aluminium

Batang Poros

Kipas

(b) (a)

Gambar 2.3 Konstruksi rotor motor induksi rotor sangkar (a) Tipikal rotor sangkar, (b) Bagian-bagian rotor sangkar

Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar.

Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin. Rotor jenis rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.4.


(25)

Gambar 2.4 Konstruksi motor induksi rotor sangkar (a) Konstruksi motor induksi rotor rangkar ukuran kecil, (b) Konstruksi motor induksi iotor sangkar ukuran besar 2.2.2. Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan

Motor rotor belitan ( motor cincin slip ) berbeda dengan motor sangkar tupai dalam hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan lilitan stator. Lilitan fasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor. Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal berfungsi membatasi arus pengasutan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor.


(26)

Sumber tegangan

Belitan Stator

Belitan Rotor

Slip Ring

Tahanan Luar

Gambar 2.5 Skematik motor induksi rotor belitan

Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga phasa rotor belitan ditunjukkan pada Gambar 2.6 berikut.

Gambar 2.6 Konstruksi motor induksi rotor belitan

(a) Rotor belitan, (b) Konstruksi motor induksi tiga phasa dengan rotor belitan.


(27)

2.3 PRINSIP MEDAN PUTAR

Perputaran motor pada mesin arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan putar ( fluks yang berputar ) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak, umumnya fasa 3. Hubungan dapat berua hubungan delta (Δ) atau bintang (Y).

Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan tiga fasa, dengan beda fasa masing – masing 1200 (gambar 2.5a) dan dialiri arus sinusoid. Distribusi arus

ia, ib, ic sebagai fungsi waktu adalah seperti Gambar 2.7b. pada keadaan t1, t2,

t3,dan t4fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing – masing adalah seperti Gambar 2.8.

Pada t1 fluks resultan mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilkan oleh kumparan a – a; sedangkan pada t2, fluks resultannya mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilkan oleh kumparan c – c; dan untuk t3 fluks resultan mempunyai arah sama dengan fluks yang dihasilkan oleh kumparan b – b. Untuk t4, fluks resultannya berlawanan arah dengan fluks resultan yang dihasilkan pada saat t1 keterangan ini akan lebih jelas pada analisis vektor.


(28)

Gambar 2.8. Medan putar pada motor induksi tiga phasa

Dari gambar c, d ,e, dan f tersebut terlihat fluks resultan ini akan berputar satu

kali. Oleh karena itu untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan

sinkron dapat diturunkan sebagai berikut :

...(2.1)

Dimana :

= kecepatan sinkron (rpm) = frekuensi (Hz)

= jumlah kutub 2.3.1. Analisis Secara Vektor

Analisis secara vector didapatkan atas dasar:

1. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar sesuai dengan perputaran sekrup ( Gambar 2.9 ).


(29)

Gambar 2.9. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar

2. Kebesaran fluks yang ditimbulkan ini sebanding dengan arus yang mengalir.

Notasi yang dipakai untuk menyatakan positif atau negatifnya arus yang mengalir pada kumparan a a, b b, dan c c yaitu: harga positif, apabila tanda silang (x) terletak pada pangkal konduktor tersebut ( titik a, b, c ), sedangkan

negatif apabila tanda titik ( . ) terletak pada pangkal konduktor tersebut (Gambar 2.9

). Maka diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4, dapat dilihat pada

Gambar 2.10.

Gambar 2.10. Diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4

Dari semua diagram vektor di atas dapat pula dilihat bahwa fluks resultan berjalan (berputar).


(30)

2.4 PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah

…(2.2) Atau

…(2.3) Dimana:

= Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam = Jumlah lilitan kumparan rotor

= Fluks maksimum (Weber)

Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan arus I2. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan


(31)

Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya

E2s = …(2.5) Dimana :

E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt)

= s. = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar)

Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns

2.5 RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Untuk menentukan rangkaian ekivalen dari motor induksi tiga fasa, pertama -tama perhatikan keadaan pada stator. Gelombang fluks pada celah udara yang berputar serempak membangkitkan ggl lawan tiga phasa yang seimbang di dalam phasa-phasa stator. Besarnya tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh tegangan pada impedansi bocor stator, sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan

1

V = E + 1 I ( 1 R1jX1 ) (Volt) …(2.6)

Di mana : V1 = tegangan terminal stator (Volt)

E1= ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan (Volt) I1 = arus stator (Ampere)


(32)

X1= reaktansi bocor stator (Ohm)

Seperti halnya transformator, arus stator dapat dipecah menjadi dua komponen, komponen beban dan komponen peneralan. Komponen beban I2

menghasilkan suatu fluks yang akan melawan fluks yang diakibatkan arus rotor. Komponen peneralan I, merupakan arus stator tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluks celah udara resultan. Arus peneralan dapat dipecah menjadi komponen rugi – rugi inti Ic yang sefasa dengan E1 dan komponen magnetisasi

m

I yang tertinggal dari E1 sebesar 90 . Sehingga dapat dibuat rangkaian  ekivalen pada stator, seperti Gambar 2.11 berikut ini :

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen stator

Misalkan pada rotor belitan, jika belitan yang dililit sama banyaknya dengan jumlah kutub dan phasa stator. Jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator banyaknya a kali jumlah lilitan rotor. Bandingkan efek magnetis rotor ini dengan yang terdapat pada rotor ekivalen magnetik yang mempunyai jumlah lilitan yang sama seperti stator. Untuk kecepatan dan fluks yang sama, hubungan antara tegangan Erotor yang diimbaskan pada rotor yang sebenarnya dan tegangan

E2s yang diimbaskan pada rotor ekivalen adalah


(33)

Bila rotor – rotor akan diganti secara magnetis, lilitan-ampere masing-masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2s pada rotor ekivalen haruslah :

I2s=

a Iro to r

(Volt) …(2.8)

Akibatnya hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip Zr oto r dari rotor yang sebenarnya haruslah sebagai berikut.

s 2

Z = 

s 2 s 2 I Erotor rotor 2 I E a rotor 2 Z

a …(2.9)

Karena rotor terhubung singkat, hubungan antara ggl frekuensi slip E2s yang dibangkitkan pada phasa patokan dari rotor patokan dan arus I2s pada phasa tersebut adalah  s 2 s 2 I E s 2

Z = R + 2 jSX 2 (Ohm) …(2.10)

Dimana : S

Z2 = impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap phasa berpatokan pada stator (Ohm)

2

R = tahanan rotor (Ohm)

SX2 = reaktansi bocor patokan pada frekuensi slip (Ohm)

Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.10) dinyatakan dalam cara demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X2 didefinisikan sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada frekuensi stator.


(34)

Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E2s dan ggl lawan stator E1. Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan rotor akan sama dengan tegangan stator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan stator. Karena kecepatan relatif gelombang fluks terhadap rotor adalah S kali kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl efektif pada stator dan rotor adalah

E2s = S E1 (Volt) …(2.11)

Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang dihasilkan komponen beban I2 dari arus stator, dan karenanya, untuk harga efektif

I2s = I2 (Ampere) …(2.12)

Dengan membagi persamaan (2.11) dengan persamaan (2.12) didapatkan

s 2 s 2 I E = 2 1 I SE Didapat hubungan  s 2 s 2 I E 2 1 I SE

= R + 2 jSX (Ohm) 2 …(2.13)

Dengan membagi persamaan (2.13) dengan S, maka didapat :

2 1 I E = S R2

+ jX 2 (Ohm) …(2.14)

Dari persamaan (2.10), (2.11) dan (2.14) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor sebagai berikut.


(35)

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen rotor dimana : S R2 = S R2

+ R2 R2

S R2

= R + 2 1) S 1 (

R2  (Ohm) …(2.15)

Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa pada masing – masing fasanya. Perhatikan gambar di bawah ini :

1 V 1 R 1 X 1 I c

R Xm

 I

c

I Im

2 I 1 E 2 SX 2 I 2 R 2 SE

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen motor induksi

Untuk mempermudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada Gambar 2.13 diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan dapat digambarkan sebagai berikut.


(36)

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator atau seperti gambar berikut.

Gambar 2.15 Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator

Dimana: 2 '

X = a2X2

2 '

R = 2

2

R a

Dalam teori transformator-statika, analisis rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan pendekatan dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus peneralan yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh) dan karena


(37)

reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen Rc

dapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi gambar berikut.

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan mengabaikan tahanan Rc

2.6 ALIRAN DAYA PADA MOTOR INDUKSI

Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke rotor, sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang diinputkan ke rotor. Daya total yang dimasukkan pada kumparan stator (Pin) dirumuskan dengan

cos I V 3

Pin1 1 ( Watt ) …(2.16)

Dimana :

V1 = tegangan sumber (Volt)

I1 = arus masukan (Ampere)

 = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber


(38)

Sebelum daya ditransfer melalui celah udara, motor induksi mengalami rugi-rugi berupa rugi-rugi tembaga stator (PSCL) dan rugi-rugi inti stator (PC). Daya yang ditransfer melalui celah udara (PAG) sama dengan penjumlahan rugi-rugi tembaga rotor (PRCL) dan daya yang dikonversi (Pconv). Daya yang melalui celah udara ini sering juga disebut sebagai daya input rotor.

conv RCL

AG P P

P   (Watt) …(2.17)

 

 

' 2 2 ' 2 ' 2 2 '

2 3 I R

s R I

3  +

 

s s R

I' ' (1 )

3 2 2 2 (Watt) …(2.18)

Diagram aliran daya motor induksi dapat dilihat pada Gambar 2.17 di bawah ini.

r oad out l

P

cos . L L in 3V I

P

Daya celah udara AG

P Pconv

SCL P C P RCL P W & F P SLL P

Gambar 2.17 Aliran daya motor induksi Dimana :

-PSCL= rugi – rugi tembaga pada kumparan stator (Watt) - PC = rugi – rugi inti pada stator (Watt)

- PAG= daya yang ditranfer melalui celah udara (Watt) - PRCL= rugi – rugi tembaga pada kumparan rotor (Watt) - PFW= rugi – rugi gesek + angin (Watt)


(39)

- PSLL = stray losses (Watt)

- PCONV= daya mekanis keluaran (output) (Watt)

Hubungan antara rugi-rugi tembaga rotor dan daya mekanis dengan daya masukan rotor dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

 

2 AG 2

2

RCL 3I R sP

P' '  ( Watt ) …(2.19)

 

2 AG

2 2

conv 1

1

3 R s sP

s s I

P' () '() ( Watt ) …(2.20)

Dari Gambar 2.17 dapat dilihat bahwa motor induksi juga mengalami rugi-rugi gesek + angin (PF&W), sehingga daya mekanis keluaran sama dengan daya yang dikonversi (Pconv) dikurangi rugi-rugi gesek + angin.

Pout = Pconv – PF&W …(2.21) Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan dalam bentuk slip yaitu :

PAG : PRCL : Pconv = 1 : s : 1 – s …(2.22) 2.7 EFISIENSI

Efisiensi motor induksi adalah ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanis yang dinyatakan sebagai perbandingan antara masukan dan keluaran atau dalam bentuk energi listrik berupa perbandingan watt keluaran dan watt masukan. Defenisi NEMA terhadap efisiensi energi adalah bahwa efisiensi merupakan perbandingan atau rasio dari daya keluaran yang berguna terhadap daya input total dan biasanya dinyatakan


(40)

dalam persen Juga sering dinyatakan dengan perbandingan antara keluaran dengan masukan ditambah rugi-rugi, yang dirumuskan dalam persamaan (2.23) :

Loss out out in loss in in out P P P P P P P P     

 100% …(2.23)

Dari persamaan terlihat bahwa efisiensi motor bergantung pada besar rugi-ruginya. Rugi-rugi pada persamaan tersebut adalah penjumlahan keseluruhan komponen rugi-rugi yang dibahas pada sub bab sebelumnya.

Pada motor induksi pengukuran efisiensi motor induksi ini sering dilakukan dengan beberapa cara seperti:

- Mengukur langsung daya elektris masukan dan daya mekanis keluaran - Mengukur langsung seluruh rugi-rugi dan daya masukan

- Mengukur setiap komponen rugi-rugi dan daya masukan,

dimana pengukuran daya masukan tetap dibutuhkan pada ketiga cara di atas. Umumnya, daya elektris dapat diukur dengan sangat tepat, keberadaan daya mekanis yang lebih sulit untuk diukur. Saat ini sudah dimungkinkan untuk mengukur torsi dan kecepatan dengan cukup akurat yang bertujuan untuk mengetahui harga efisiensi yang tepat. Pengukuran pada keseluruhan rugi-rugi ada yang berdasarkan teknik kalorimetri. Walaupun pengukuran dengan metode ini relatif sulit dilakukan, keakuratan yang dihasilkan dapat dibandingkan dengan hasil yang didapat dengan pengukuran langsung pada daya keluarannya.

Kebanyakan pabrikan lebih memilih melakukan pengukuran komponen rugi-rugi secara individual, karena dalam teorinya metode ini tidak memerlukan pembebanan pada motor, dan ini adalah suatu keuntungan bagi pabrikan. Keuntungan lainnya yang sering disebut-sebut adalah bahwa memang benar error


(41)

keseluruhan efisiensi. Keuntungannya terutama adalah fakta bahwa ada kemungkinan koreksi untuk temperatur lingkungan yang berbeda. Biasanya data efisiensi yang disediakan oleh pembuat diukur atau dihitung berdasarkan standar tertentu.

2.8 DESAIN KELAS MOTOR INDUKSI

Motor asinkron yang sering kita temukan sehari-hari misalnya adalah : kipas angin, mesin pendingin, kereta api listrik gantung, dan lain sebagainya. Untuk itu perlu diketahui kelas-kelas dari motor tersebut untuk mengetahui unjuk kerja dari motor tersebut. Adapun kelas-kelas tersebut adalah sebagai berikut :

1. Kelas A : Torsi start normal, arus start normal dan slip kecil

Tipe ini umumnya memiliki tahanan rotor sangkar yang rendah. Slip pada beban penuh kecil atau rendah namun efisiensinya tinggi. Torsi maksimum biasanya sekitar 21% dari torsi beban penuh dan slipnya kurang dari 21%. Motor kelas ini berkisar hingga 20 Hp.

2. Kelas B : Torsi start normal, arus start kecil dan slip rendah

Torsi start kelas ini hampir sama dengan kelas A tetapi arus startnya berkisar 75%Ifl . Slip dan efisiensi pada beban penuh juga baik. Kelas ini umumnya berkisar antara 7,5 Hp sampai dengan 200 Hp. Penggunaan motor ini antara lain : kipas angin, boiler, pompa dan lainnya.

3. Kelas C : Torsi start tinggi dan arus start kecil

Kelas ini memiliki resistansi rotor sangkar yang ganda yang lebih besar dibandingkan dengan kelas B. Oleh sebab itu dihasilkan torsi start yang lebih tinggi pada arus start yang rendah, namun bekerja pada efisisensi dan slip yang rendah dibandingkan kelas A dan B.


(42)

4. Kelas D : Tosi start tinggi, slip tinggi

Kelas ini biasanya memiliki resistansi rotor sangkar tunggal yang tinggi sehingga dihasilkan torsi start yang tinggi pada arus start yang rendah Sebagai tambahan pada keempat kelas tersebut diatas, NEMA juga memperkenalkan desain kelas E dan F, yang sering disebut motor induksi soft-start, namun desain kelas ini sekarang sudah ditinggalkan.

2.9. PENENTUAN PARAMETER MOTOR INDUKSI

Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor induksi dapat diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan, dan pengukuran tahanan dc belitan stator.

2.9.1. Pengujian Tanpa Beban (No Load Test)

Pengujian tanpa beban pada motor induksi akan memberikan keterangan berupa besarnya arus magnetisasi dan rugi – rugi tanpa beban. Biasanya pengujian tersebut dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan tiga fasa dalam keadaan setimbang yang diberikan pada terminal stator. Pembacaan diambil pada tegangan yang diizinkan setelah motor bekerja cukup lama, agar bagian – bagian yang bergerak mengalami pelumasan sebagaimanamestinya. Rugi

– rugi rotasional keseluruhan pada frekuensi dan tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan dan sama dengan rugi – rugi tanpa beban.

Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi gesekan. Karenanya rugi – rugi tanpa beban cukup kecil dan dapat diabaikan. Pada transformator rugi – rugi primernya tanpa beban dapat diabaikan, akan tetapi


(43)

rugi – rugi stator tanpa beban motor induksi besarnya cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi – rugi rotasional pada keadaan kerja normal adalah :

– …(2.24)

Dimana :

= daya input tiga fasa

= arus tanpa beban tiap fasa ( A ) = tahanan stator tiap fasa ( ohm )

Karena slip pada keadaaan tanpa beban sangat kecil, maka akan mengakibatkan tahanan rotor sangat besar. Sehingga cabang paralel rotor dan cabang magnetisasi menjadi di shunt dengan suatu tahanan yang sangat besar, dan besarnya reaktansi cabang paralel karenanya sangat mendekati . Sehingga besar reaktansi yang tampak yang diukur pada terminal stator pada keadaan tanpa beban sangat mendekati

, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator, sehingga

Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin tiga fasa yang terhubung Y besarnya impedansi tanpa beban :

…(2.25)


(44)

Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban adalah :

…(2.26) merupakan suplai daya tiga fasa pada keadaan tanpa beban, maka besar reaktansi tanpa beban.

…(2.27) sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti Gambar 2.18

Gambar 2.18. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi pada Percobaan Beban Nol 2.9.2. Pengujian Tahanan Stator (DC Test)

Untuk menentukan besarnya tahanan stator R

1 dilakukan dengan test DC. Pada dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi. Karena arus yang disuplai adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan stator.


(45)

Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai rated, yang mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang sama selama operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka besar tahanan stator/ fasa adalah :

…(2.28)

Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator,

…(2.29)

Dengan diketahuinya nilai dari R

1 , rugi – rugi tembaga stator pada beban nol dapat ditentukan, dan rugi – rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih dari daya input pada beban nol dan rugi – rugi tembaga stator.

Gambar 2.19 menunjukkan salah satu bentuk pengujian DC pada stator motor induksi yang terhubung Y.

Gambar 2.19. Rangkaian Pengukuran Untuk Test DC 2.9.3. Pengujian Rotor Tertahan (Block Rotor Test)

Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter – parameter motor induksi, dan biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor dikunci/ ditahan sehingga tidak berputar.


(46)

Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus yang mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan nilai beban penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur. Rangkaian ekivalen untuk pengujian ini dapat dilihat pada gambar 2.20 di bawah ini.

Gambar 2.20 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi pada Percobaan Block Rotor Test

Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R

2/s = R2. Karena nilai R

2 dan X2 begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir melalui tahanan dan reaktansi tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat ini terlihat seperti kombinasi seri X

1, R1, X2, dan R2. Sesudah tegangan dan frekuensi diatur, arus yang mengalir pada motor diatur dengan cepat, sehingga tidak timbul kenaikan temperatur pada rotor dengan cepat. Daya input yang diberikan kepada motor ;

…(2.30) = tegangan line pada saat pengujian berlansung


(47)

…(2.31) = impedansi hubung singkat

Tahanan block rotor :

Sedangkan reaktansi block rotor

adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian.

…(2.32) Nilai dari ditentukan dari DC Test. Karena reaktansi berbanding langsung dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total XBR pada saat frekuensi operasi normal.


(48)

BAB III

GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI

3.1. UMUM

Prinsip kerja Generator Induksi secara umum akan lebih mudah dipahami dari prinsip kerja motor induksi. Apabila motor induksi dihubungkan dengan tegangan tiga phasa, pada belitan statornya akan timbul medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (kecepatan sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah kutub statornya. Medan magnet putar pada belitan stator akan memotong batang konduktor pada belitan rotor, akibatnya pada belitan akan dibangkitkan tegangan induksi. Pada belitan rotor merupakan batang konduktor (umumnya berupa slot aluminium yang dihubung-singkatkan pada kedua ujungnya) adalah rangkaian tertutup maka tegangan induksi pada rotor yang disebabkan oleh medan magnet putar pada stator akan menghasilkan arus listrik. Interaksi antara medan magnet putar pada stator dan pada arus rotor akan menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada stator.

Seperti yang telah diterangkan diatas, tegangan induksi pada rotor akan timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relative antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar (kecepatan sinkron) akan selalu lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya


(49)

akan terjadi apabila motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor akan dapat digerakkan oleh turbin karena adanya magnetisasi sisa pada rotor, umumnya cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai motor. Agar pada belitan stator dapat dibangkitkan tegangan listrik diperlukan daya reaktif untuk membangkitkan medan magnet putar. Pada kasus Generator Induksi Penguatan Sendiri, daya reaktif tersebut disuplai lewat kapasitor eksitasi. Sedangkan pada kasus Generator Induksi yang dihubungkan dengan jaringan listrik, daya reaktif disuplai oleh lewat jaringan tersebut, kapasitor umumnya hanya dipakai sebagai sebagai kompesator. Kebalikan dari proses sebagai motor, sebagai generator slip yang terjadi bernilai negatif yang artinya kecepatan rotor lebih besar daripada kecepatan medan magnet putarnya. 3.2. KLASIFIKASI GENERATOR INDUKSI

3.2.1. Berdasarkan Konstruksi Rotor

3.2.1.1. Generator Induksi Rotor Sangkar

Generator Induksi tipe rotor sangkar memiliki belitan pada stator yang terdiri dari konduktor-konduktor yang tidak terisolasi (berupa batang campuran tembaga dan aluminium) yang terpasang pada slot semi-tertutup. Batang-batang solid ini dihubung-singkatkan pada masing-masing kedua ujungnya dengan suatu cincin dengan material yang sama. Batang-batang rotor ini tersebar merata pada belitan rotor.

3.2.1.2. Generator Induksi Rotor Belitan

Generator Induksi tipe rotor belitan memilik konstruksi belitan rotor yang serupa pada belitan stator. Generator tipe ini memiliki harga yang lebih


(50)

mahal dan butuh perawatan yang lebih dibandingkan denga generator induksi tipe rotor sangkar.

3.2.2. Berdasarkan Proses Eksitasi

3.2.2.1.Generator Induksi Terhubung ke Jaringan Listrik (Grid Connected )

Generator Induksi terhubung ke jaringan listrik menyerap daya reaktif dari jaringan listrik tersebut. System pengoperasian generator tipe ini relatif mudah karena seperti pengaturan tegangan dan frekuensi jala-jala.

Prime Mover

Generator Induksi 3 Phasa

BEBAN

Jaringan Listrik 3 Phasa AC

P Q

P Q

Gambar 3.1. Generator Induksi Terhubung Jaringan Listrik 3.2.2.2. Generator Induksi Penguatan Sendiri ( Self Excited )

Generator Induksi Penguatan Sendiri menyerap daya reaktif dari kapasitor eksitasi yang terhubung melalui terminal statornya. Kapasitor eksitasi ini tidak hanya menyuplai daya reaktif pada Generator Induksi melainkan juga pada sisi beban.


(51)

PM GI

C

C C

Beban

Gambar 3.2. Generator Induksi Penguatan Sendiri

3.3. PRINSIP KERJA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI Pada mesin induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi. Jika belitan stator diberi tegangan tiga phasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga phasa, arus ini kemudian akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron ( ) dan kemudian akan melakukan pengisian muatan ke kapasitor ( C ) yang dipasang parallel dengan stator yang tujuannya untuk mensuplai tegangan ke stator nanti untuk mempertahankan kecepatan sinkron ) motor induksi pada saat dilakukan pelepasan sumber tegangan tiga phasa pada stator.

Mesin dc sebagai prime mover yang dikopel dengan mesin induksi diputar secara perlahan memutar rotor mesin induksi hingga mencapai putaran sinkronnya . Saklar sumber tegangan tiga phasa untuk stator dilepas, dan kapasitor yang sudah discharge akan bekerja dan akan mempertahankan besar ns. Motor dc diputar hingga melewati kecepatan putaran sinkronnya mesin induksi , sehingga slip yang timbul antara putaran rotor dan putaran medan magnet menghasilkan slip negatif ( s < 0 ) dan akan menghasilkan tegangan sehingga motor induksi akan berubah fungsi menjadi generator induksi.


(52)

Gambar 3.3. Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi

Dari kurva karakteristik antara kecepatan dan kopel motor induksi dapat dilihat, jika sebuah motor induksi dikendalikan agar kecepatannya lebih besar daripada kecepatan sinkron oleh penggerak mula, maka arah kopel yang terinduksi akan terbalik dan akan beroperasi sebagai generator. Semakin besar kopel pada penggerak mula, maka akan memperbesar pula daya listrik yang dihasilkan. Pada gambar karakteristik diatas generator mulai menghasilkan tegangan pada saat putaran rotor ( ) sedikit lebih cepat dari putaran sinkron ) mesin induksi tersebut.

Pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat pengatur tegangan seperti governor pada generator sinkron. Oleh karena itu tegangan keluaran sangat dipengaruhi oleh beban dan nilai kapasitor.


(53)

3.4. PROSES PEMBANGKITAN TEGANGAN

Generator induksi penguatan sendiri dapat membangkitkan tegangannya sendiri dengan prinsip seperti halnya generator searah berpenguatan sendiri dengan syarat utama adanya remanensi ( fluks sisa ) di rotor atau kapasitor eksitasi yang digunakan harus sudah mempunyai muatan listrik terlebuh dahulu. Remanensi atau muatan kapasitor merupakan tegangan awal yang diperlukan untuk proses pembangkitan tegangan selanjutnya. Proses pembangkitan tegangan akan terjadi bila salah satu syarat di atas dipenuhi. Gambar 3.4 memperlihatkan rangkaian proses pembangkitan tegangan generator induksi.

Gambar 3.4. Rangkaian Proses Pembangkitan Tegangan

Dari Gambar 3.4 di atas maka dapat dibuat rangkaian ekivalen per fasa generator induksi penguatan sendiri seperti pada Gambar 3.5.


(54)

L

R

jXL

jXc

s

R jXs

Is

a c

b d

1

E

Im

jXr

Ir

jXm R /sr

Gambar 3.5. Rangkaian Ekivalen per Phasa Generator Induksi Penguatan Sendiri Dimana :

= tahanan stator = tahanan rotor

= reaktansi bocor stator = reaktansi bocor rotor

= reaktansi magnetisasi = reaktansi kapasitansi = arus stator

s = slip

Dengan menghubungkan kapasitor di terminal stator, maka akan terbentuk suatu rangkaian tertutup. Dengan adanya tegangan awal tadi, dirangkaian akan mengalir aru. Arus tersebut akan menghasilkan fluksi di celah udara, sehingga di stator akan terbangkit tegangan induksi sebesar . Tegangan ini akan mengakibatkan arus mengalir ke kapasitor sebesar . Dengan adanya arus sebesar


(55)

, akan menambah jumlah fluksi di celah udara, sehingga tegangan di stator menjadi . Tegangan akan mengalirkan arus di kapasitor sebesar yang menyebabkan fluksi bertambah dan tegangan yeng dibangkitkan juga akan meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik kesetimbangan E = Vc seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.6. Dalam kondisi ini tidak terjadi lagi penambahan fluksi ataupun tegangan yang dibangkitkan.

Gambar 3.6. Proses Pembangkitan Tegangan

Nilai kapasitor yang dipasang sangat menentukan terbangkitnya teganga atau tidak. Untuk terbangkitnya tegangan generator induksi, nilai kapasitor yang dipasang harus lebih besar dari nilai kapasitor minimum yang diperlukan untuk proses eksitasi. Jika kapasitor yang dipasang lebih kecil dari kapasitor minimum yang diperlukan, maka proses pembangkitan tegangan tidak akan berhasil, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 3.7.


(56)

Gambar 3.7. Tegangan Fungsi Kapasitor Eksitasi

3.5. SLIP

Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip ( s ). Slip dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan sebagai persen dari kecepatan sinkron.

…(3.1)

Dimana :

kecepatan rotor ( rpm ) kecepatan sinkron ( rpm )

Apabila , kecepatan dibawah sinkron akan menghasilkan kopel, rotor dengan mempercepat rotasi medan magnet, tenaga listrik diubah ke tenaga gerak ( daerah motor ).


(57)

Bila , tegangan tidak akan terinduksi dan arus akan mengalir pada belitan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.

Bila , kecepatan di atas sinkron rotor dipaksa berputar lebih cepat daripada medan magnet putar ( ). Tenga gerak diubah ke tenaga listrik ( daerah generator ).

S = 1, rotor ditahan, tidak ada transfer energy.

S > 1, kecepatan terbalik, rotor dipaksa bekerja melawan medan magnet ( daerah pengereman ).

3.6. FREKUENSI ROTOR

Pada waktu start motor dimana s = 100 % maka frekuensi arus pada rotor sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f‟ yaitu,

Dengan membagikan dengan salah satu, maka diperoleh :

Maka ( Hz ) …(3.2)

Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor f’ = sf dan ketika arus ini mengalir pada masing – masing phasa di belitan rotor, akan memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif terhadap putaran rotor sebesar sns.


(58)

Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnitud yang konstan dan kecepatan medan putar ns yang konstan. Kedua hal ini merupakan medan magnetik yang berputar secara sinkron. Kenyataannya tidak seperti ini karena pada stator akan ada arus magnetisasi pada belitannya.

3.7. ALIRAN DAYA NYATA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI

Aliran daya nyata generator induksi penguatan sendiri dapat dilihat pada gambar diagram aliran daya berikut :

Gambar 3.8. Diagram Aliran Daya Nyata

…(3.3)

…(3.4)

…(3.5)

Dimana:

= daya masukkan mekanis bersih


(59)

= rugi – rugi gesekan dan angin = daya celah udara

= rugi-rugi tembaga rotor = rugi – rugi tembaga stator = rugi – rugi tembaga inti stator

= daya keluaran generator

Rugi-rugi gesekan dan angin Pg+a dan rugi-rugi inti stator Pi biasanya dianggap konstan dan disebut rugi-rugi beban nol. Sedangakan rugi-rugi tembaga stator dan rotor besarnya tidak tetap tergantung arus beban.

3.8. EFISIENSI

Sama halnya dengan mesin – mesin listrik yang lain, pada motor induksi sebagai generator rugi – rugi terdiri dari rugi – rugi tetap dan rugi – rugi variabel. Pada kondisi beban nol daya outputnya sama dengan nol, sehingga efisiensi bernilai nol. Apabila motor induksi berbeban ringan, maka rugi – rugi tetap akan lebih besar jika dibandingkan terhadap outputnya, sehingga efisiensi rendah. Jika beban meningkat, maka efisiensinya juga akan meningkat dan akan menjadi maksimum sewaktu rugi – rugi variabel sama dengan rugi – rugi inti. Efisiensi maksimum terjadi saat 80 hingga 95 persen dari rated output. Jika beban ditingkatkan secara terus – menerus hingga melampaui efisiensi maksimumnya rugi – rugi beban akan meningkat dengan sangat cepat daripada outputnya, sehingga efisiensi menurun.


(60)

3.9. KAPASITOR

Kapasitor adalah suatu peralatan listrik untuk menyimpan muatan listrik. Konstruksi kapasitor pada umumnya terdiri dari dua buah konduktor yang berdekatan namun dipisahkan oleh bahan elektrik.

Kapasitansi kapasitor ( C ) adalah suatu kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan.

…(3.6)

…(3.7)

…(3.8)

…(3.9)

…(3.10)

…(3.11)

3.9.1. Kapasitor Hubungan Delta ( Δ )

Apabila dihubungkan dengan hubungan delta ( Δ ) maka besar kapasitansi

kapasitor adalah:

…(3.12)

3.9.2. Kapasitor Hubungan Bintang ( Y )

Apabila dihubungkan dengan hubungan bintang ( Υ ) maka besar

kapasitansi kapasitor adalah:


(61)

3.9.3. Pemasangan Kapasitor

Untuk sistem 3 phasa, kapasitor dapat dihubung delta dan dihubung bintang. Lihat gambar ( 3.11 ) dan gambar ( 3.12 ) diatas. Kapasitor terhubung bintang dan delta memiliki persamaan sebagai berikut :

…(3.14)

…(3.15)

…(3.16)

Untuk kapasitor yang terhubung bintang, kapasitor yang dibutuhkan tiga kali kapasitor yang terhubung delta.

3.10. KEUNTUNGAN & KELEMAHAN GENERATOR INDUKSI

Dalam kenyataan aplikasinya di lapangan, motor induksi tiga phasa sebagai generator memiliki beberapa keuntungan dan juga beberapa ketidakuntungan. Dalam masa yang akan datang diperkirakan motor induksi sebagai generator ini akan segera dihubungkan ke sistem jaringan listrik untuk menyuplai beban konsumen. Disamping karena kebutuhan konsumen akan listrik yang semakin lama semakin meningkat, ada beberapa alasan lain yang mengakibatkan hal ini akan segera terwujud.

Beberapa Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator : 1. Konstruksinya sederhana dan kokoh

2. Harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia di pasaran. 3. Dapat digunakan dalam semua kategori daya.


(62)

5. Tidak membutuhkan sinkronisasi ketika diparalel dengan sistem

6. Tidak mengkonsumsi bahan bakar untuk pembangkitan listrik tetapi memerlukan sumber energi terbarukan seperti angin dan air.

Beberapa kelemahan-kelemahan Motor Induksi Sebagai Generator adalah:

1. Tidak dapat menghasilkan daya reaktif, bahkan sebaliknya, generator induksi mengkonsumsi daya reaktif, sehingga diperlukan sumber daya reaktif eksternal untuk menjaga keberadaan medan magnet stator.

2. Pengontrolan tegangan harus juga dilakukan oleh sumber daya reaktif tersebut, dikarenakan tidak ada arus medan, sehingga generator induksi tidak dapat mengontrol tegangan keluarannya sendiri.

3. Perubahan tegangan dan frekuensi generator induksi sangat besar atau bervariasi akibat adanya perubahan beban.


(63)

BAB IV

ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI

PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI

STEADY STATE

4.1 Umum

Pada sistem tertutup dimana tegangan terminal dan frekuensi tidak diketahui dan dengan mengetahui parameter-parameter mesin induksi, maka performa Generator Induksi Penguatan Sendiri dapat ditentukan melalui analisis rangkaian ekivalen generator induksi pada kondisi steadystate.

Dalam menganalisis Generator Induksi Penguatan Sendiri pada kondisi

steadystate, perlu diperhatikan asumsi-asumsi berikut :

 Semua parameter-parameter Generator Induksi dianggap konstan kecuali besaran frekuensi dan reaktansi magnetisasi .

 Reaktansi bocor stator dan rotor dalam per unit dianggap sama ( ).  Rugi-rugi Inti diabaikan ( ).

 Efek harmonisa diabaikan.

4.2 Pemodelan Generator Induksi Penguatan Sendiri secara Matematis Rangkaian Ekivalen Mesin Induksi seperti yang tergambar di bawah ini akan digunakan lebih lanjut dalam membahas analisis steady state Generator Induksi.


(64)

V

1=

V

ph

R

s

jX

s

I

m

R

m

X

m

I

s

E

r

1

E

r

jX

r

R

r

I

Gambar 4.1. Rangakaian ekivalen mesin induksi Keterangan :

= Resistansi stator

= Reaktansi bocor stator

= Arus Rotor

= Resistansi yang hilang = Reaktansi magnetisasi = Resistansi rotor = Reaktansi rotor

Generator Induksi Penguatan Sendiri terjadi ketika rotor diputar oleh suatu penggerak mula (prime mover) dan suatu kapasitor yang sesuai dihubungkan pada terminal stator. Frekuensi dan reaktansi magnetisasi Generator Induksi Penguatan Sendiri berubah sesuai dengan beban bahkan ketika kecepatan rotor dijaga konstan. Adapun, suatu langkah penting dalam menganalisis steady state

Generator Induksi Pennguatan Sendiri yaitu dari parameter-parameter mesin, kecepatan, kapasitor eksitasi dan impedansi beban yang diberikan adalah untuk menentukan nilai atau harga frekuensi per unit dan reaktansi magnetisasi .


(65)

4.3. Formulasi Penyelesaian Masalah

4.3.1. Menentukan Parameter-Parameter Mesin Induksi

Dalam menentukan parameter-parameter mesin induksi perlu dilakukan beberapa pengujian seperti pengujian beban nol, pengujian rotor tertahan dan pengujian pengukuran tahanan stator DC.

Adapun mesin induksi yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:

Motor induksi 3 fasa Tipe : Rotor sangkar tupai Spesifikasi :

- AEG Type B AL 90 LA - 4 - Δ / Y 220/ 380 V ; 6,3 / 3,6 A - 1,5 Kw, cos φ 0,82

- 1415 rpm, 50 Hz - Kelas isolasi : B

Mesin Induksi 3 phasa 380 Volt, 3,6 A, 1,5 KW, 4 kutub, Y, rotor sangkar. Dari hasil pengujian beban nol, pengujian rotor tertahan dan pengukuran tahanan DC diperoleh :

Tabel 4.1. Data Pengujian beban nol, rotor tertahan dan pengukuran tahanan dc. Tipe Pengujian Daya (Watt) Tegangan (Volt) Arus (Ampere)

Beban Nol 120 230 1,85

Rotor Tertahan 260 70 3,16


(66)

Pengujian Beban Nol:

Pengukuran Tahanan DC:

Dimana : k = faktor koreksi = 1,2

Pengujian Rotor Tertahan:


(67)

4.3.2. Menentukan Parameter-Parameter Mesin Induksi dalam Sistem Per Unit.

Pada mesin-mesin listrik, metode-metode perhitungan secara umum diselesaikan dengan harga per unit ( p.u. ). Setiap sistem harga per unit diperoleh dengan memilih suatu harga base yang telah ditentukan. Adapun penentuan harga base pada umumnya mengacu pada harga nominal (rated) dari mesin tersebut.

Pada umumnya hubungan harga per unit ( p.u. ) dengan harga base-nya dapat dilihat dari persamaan berikut :

dari data mesin induksi sebelumnya maka diambil harga base, yaitu :

Dengan demikian harga per unit ( p.u. ) parameter-parameter mesin induksi yang lain adalah :


(68)

4.3.3. Karakteristik Beban Nol

Karakteristik beban nol mesin induksi diperoleh pada nominal frekuensi = 50 Hz. Sumber tegangan menyuplai stator mesin induksi saat rotor mesin induksi diputar motor ( prime mover ) pada kecepatan sinkron dengan frekuensi

= 50 Hz. Kenyataanya pada praktiknya slip sangatlah kecil ( s ≈ 0 ) yang mana

secara tidak langsung cabang dari rotor pada rangkaian ekivalen dapat dianggap terbuka seperti gambar di bawah ini :

V

0

I

0

Vg

I

m

Rs

Xs

Xr

Xm

Gambar 4.2. Rangkaian ekivalen satu phasa beban nol. Dimana :

= Arus beban nol = Tegangan beban nol


(69)

= Tegangan celah udara = Arus magnetisasi Besar tegangan adalah

...(4.2) Dimana

…(4.3) Adapun merupakan impedansi total dari rangkaian ekivalen pada gambar diatas yang besarnya adalah sebagai berikut :

…(4.4) …(4.5) Dengan memasukkan persamaan (4.5) ke persamaan (4.2) diperoleh :

…(4.6) Atau

…(4.7)

Dari percobaan beban nol motor induksi 3 phasa diperoleh data-data sebagai berikut :

Tabel 4.2. Data Pengujian beban nol motor induksi 3 phasa.

No. (Volt) (A) (p.u) (p.u)

1 110 0,57 0,289474 0,158333

2 130 0,83 0,342105 0,230556


(70)

4 170 1,3 0,447368 0,361111

5 190 1,5 0,5 0,416667

6 210 1,69 0,552632 0,469444

7 230 1,9 0,605263 0,527778

8 250 2,1 0,657895 0,583333

9 270 2,27 0,710526 0,630556

10 290 2,45 0,763158 0,680556

11 310 2,62 0,815789 0,727778

12 330 2,8 0,868421 0,777778

13 350 3,01 0,921053 0,836111

Dengan menggunakan persamaan (4.5) dan (4.7) diperoleh nilai dan adalah sebagai berikut :

Diketahui : dan


(71)

Dengan menggunakan metode penyelesaian yang sama, diperoleh :

Tabel 4.3. Hasil data Perhitungan nilai dan dalam satuan per unit.

Dari tabel diatas dapat dibuat kurva magnetisasinya, yaitu :

No. (p.u) (p.u) (p.u) (p.u)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12


(72)

Gambar 4.3. Kurva karakteristik beban nol motor induksi 3 phasa.

Dari gambar grafik diatas dapat diturunkan suatu bentuk persamaan polynomial orde-n dengan menggunakan interpolasi orde-n.

Jika terdapat n+ 1 data maka dapat dilakukan interpolasi orde-n seperti dibahas dalam berikut ini. Perhatikan bentuk polinom derajat n ini!

…(4.8) Dengan memakai titik-titik data yang diketahui, maka koefisien-koefisien dapat dihitung sebagai berikut :

…(4.9a)

…(4.9b)

…(4.9c)

……..


(73)

Fungsi didalam kurung siku adalah finite divided difference (beda terbagi hingga). First divided difference dinyatakan secara umum sebagai :

…(4.10) Sedangkan second divided difference merupakan perbedaan dari dua beda terbagi pertama, yang dirumuskan sebagai :

…(4.11) Dan beda terbagi hingga ke –n adalah :

…(4.12) Persamaan (4.10) hinngga (4.12) dapat dipakai untuk menghitung koefisien-koefisien dalam persamaan (4.9), dan kemudian disubstitusikan ke dalam persamaan (4.8) untuk mendapatkan polinom interpolasi beda terbagi Newton (divided-difference interpolating polynomial):

…(4.13)

Table 4.4. Skema cara mencari beda terbagi hingga pertama, kedua, hinggaketiga.

i xi f(xi) Pertama Kedua Ketiga

0 x0 f(x0) f[x1,x0] f[x2,x1,x0] f[x3,x2,x1,x0] 1 x1 f(x1) f[x2,x1] f[x3,x2,x1]

2 x2 f(x2) f[x3,x2] 3 x3 f(x3)


(74)

Maka dengan demikian persamaan polynomial derajat 5 untuk persamaan magnetisasi dapat diperoleh dengan mengambil beberapa data pada Tabel 4.3., diperoleh:

Table 4.5. Data persamaan polynomial derajat 5 untuk persamaan magnetisasi. i

xi

(Xm)

f(xi)

(Vg)

Pertama Kedua Ketiga keempat kelima

0 x0 0,5889

f(x0) 0,4924

f[x1,x0] -9,1503

f[x2,x1x0] 1,2539 x 102

f[x3,x2,x1,x0] -9,2338 x 102

f[x4,x3,x2,x1,x0] 4,0071 x 103

f[x5,x4,x3,x2,x1,x0] -7,8758 x 103 1 x1 0,6042 f(x1) 0,3524 f[x2,x1] -1,990 f[x3,x2x1] 10,7061 f[x4,x3,x2,x1] -35,7968 f[x5,x4,x3,x2,x1] 60,5206 2 x2 0,646

f(x2) 0,2692

f[x3,x2] -0,8241

f[x4,x3,x2] 3,3248

f[x5,x4,x3,x2] -6,3959 3 x3 0,7131 f(x3) 0,2139 f[x4,x3] -0,2775 f[x5,x4,x3] 0,485 4 x4 0,8104 f(x4) 0,1869 f[x5,x4] -0,0947 5 x5 1,01

f(x5) 0,1598

Lalu dari persamaan (4.13) persamaan magnetisasi orde kelima dapat ditulis sebagai berikut:


(75)

…(4.14)

4.4. Penyelesaian Masalah

Ketika rotor generator induksi dikendalikan motor penggerak, sehingga pada stator akan menghasilkan frekuensi. Maka semua parameter rangkaian ekivalen generator induksi pada gambar 3.5 direferensikan terhadap frekuensi nominal, dengan mengasumsikan reaktansi induktansi sebanding dengan frekuensi.

R /F

X

Xc/F2 s

R /F Xs

Is

a c

b d

g

V

Im

Xr

Ir

Xm R /(F-v)r

IL I

C

L

L

Gambar 4.4. Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi penguatan sendiri. Dimana :

= Resistansi stator, Resistansi rotor, dan Resistansi beban (Ohm) = Reaktansi stator, Reaktansi rotor, dan Reaktansi beban (Ohm)

= Reaktansi magnetisasi (Ohm) = Reaktansi kapasitansi (Ohm) = frekuensi (Hz)


(76)

= kecepatan (rpm) = Arus magnetisasi (A) = Arus kapasitansi (A)

= Arus stator, Arus rotor, dan Arus Beban (A)

Berdasarkan rangkaian ekivalen pada steady state, metode penyelesaian terdiri dari dua, yaitu :

 Metode Admittansi Node

Metode ini menyatakan admitansi yang terhubung melalui suatu node (cabang). Dengan menjumlahkan bagian-bagian yang nyata dengan menjadi nol Polinomial ‘F’ diperoleh. „Xm dapat ditentukan pada saat menyamakan jumlah bagian-bagian imajinier menjadi nol, dengan menggunakan nilai ‘F’ yang diperoleh setelah memecahkan Polinomial dengan menggunakan metode

Newton-Rhapson, metode Secant dan lain-lain.

 Metode Impedansi Loop

Dari beban dan kecepatan yang diketahui, dua persamaan non-linier serentak, ‘F’ dan Xm diperoleh dengan menyamakan bentuk real dan

imajinier impedansi loop kompleks masing-masing menjadi nol. Persamaan-persamaan non linier serentak ini kemudian diselesaikan dengan menggunakan metode Newton-Raphson. Dengan diperolehnya nilai ‘F’ dan

Xm maka besaran-besaran performa Generator Induksi Penguatan Sendiri dapat diperoleh melalui analisis rangkaian ekivalen Generator Induksi Penguatan Sendiri pada kondisi steady state.


(77)

Metode yang digunakan dalam membahas performa Generator Induksi Penguatan Sendiri ini menggunakan metode Admitansi Node.

Dengan menggunakan metode Admitansi Node pada kondisi steady state, diperoleh:

…(4.15)

Dimana :

Bagian Real


(78)

Dari persamaan diatas diperoleh persamaan polynomial yaitu:

… 4.20

Penurunan persamaan (4.19) menjadi persamaan (4.20) dapat dilihat secara lengkap pada Lampiran A sedangkan koefisien dapat dilihat pada lampiran B.

Bagian Imajinier

…(4.21)


(79)

Misalkan :

Maka persamaan (4.22) dapat disederhanakan menjadi :

Adapun metode penyelesaian dengan menggunakan metode Newton-Rhapson menggunakan persamaan non linier f(x) berikut:

Persamaan non linier f(x) dapat diselesaikan dengan metode Newton-Rhapson jika memenuhi persyaratan persamaan (4.25)

Jika titik tidak dipenuhi sesuai dengan persamaan (4.25) diatas, maka perlu dicari nilai yang baru. Proses iterasi dilakukan terus sampai didapatkan nilai yang tidak berubah atau hampir tidak berubah.

Setelah memperoleh nilai dan , maka langkah selanjutnya adalah menentukan parameter – parameter performa Generator Induksi dari persamaan – persamaan rangkaian ekivalen seperti , , , , dan sebagai berikut:


(80)

4.5. Algorithma dan Flow Chart

Prosedur perhitungan dengan menggunakan metode Newton-Rhapson untuk menentukan nilai dan parameter-parameter performa Generator Induksi Penguatan Sendiri adalah sebagai berikut :

1. Masukkan data-data mesin ( ), kecepatan ( ), beban, dan reaktansi kapasitor .

2. Asumsikan nilai awal frekuensi dalam per unit .

3. Hitung nilai dari turunan pertama, kedua, dan ketiga dari persamaan Polinomial frekuensi dengan memasukkan sebagai nilai asumsi awal. 4. Periksa, apakah proses iterasi dapat dilanjutkan sesuai dengan persamaan


(81)

5. Hitung nilai Fn dan ulangi langkah ini hingga diperoleh koefisien error (ε) sama dengan 10-5 dengan menggunakan persamaan (4.24).

6. Dengan memperoleh nilai , hitung nilai dengan menggunakan persamaan (4.23).

7. Hitung nilai Vg dengan menggunakan persamaan (4.14).

8. Hitung nilai – nilai , , , , dan dengan persamaan – persamaan (4.26) (4.32).

9. Jika diperlukan ulangi langkah (1.) hingga langkah (8.) dengan menggunakan nilai , dan beban yang berbeda.


(1)

LAMPIRAN A

Dari persamaan (4.19)

Maka persamaan (4.19) menjadi:

Misalkan Diperoleh persamaan (4.19b) yaitu :

Sama kan masing-masing penyebut kedua suku diperoleh:


(2)

Agar penjumlahan kedua suku sama dengan nol, maka penjumlahan

bagian pembilang harus sama dengan nol, sehingga diperoleh :

Kembalikan koefisien menjadi ,

diperoleh :


(3)


(4)

Dari persamaan (4.19g) diperoleh persamaan (4.20) yaitu:


(5)


(6)


Dokumen yang terkait

Analisis Perencanaan Ruang Bakar Turbin Gas Penggerak Generator Listrik Dengan Daya Terpasang 128 MW Dengan Menggunakan Ansys

18 100 110

Studi Pemakaian Kapasitor Untuk Menjalankan Motor Induksi Tiga Fasa Pada Sistem Satu Fasa (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

0 67 108

Analisis Karakteristik Berbeban Motor Induksi Satu Phasa Kapasitor Start ( Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU )

7 80 72

Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan Dengan Injeksi Tegangan Pada Rotor(Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

4 61 81

Panas Pada Generator Induksi Saat Pembebanan (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU)

1 50 94

Pengaruh Pembebanan Terhadap Frekuensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )

0 48 67

Analisis Perbandingan Regulasi Tegangan Generator Induksi Penguatan Sendiri Tanpa Menggunakan Kapasitor Kompensasi Dan Dengan Menggunakan Kapasitor Kompensasi (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

5 42 79

Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa

2 36 54

Analisis Karakteristik Torsi Dan Putaran Motor Induksi Tiga Fasa Pada Kondisi Operasi Satu Fasa Dengan Penambahan Kapasitor (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

4 103 83

Analisis Pengaruh Jatuh Tegangan Terhadap Kinerja Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

3 25 69