Analisa Perbandingan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta Dan Bintang Dengan Kompensasi Kapasitor Terhadap Regulasi Dan Efisiensi Generator Induksi ( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )

TUGAS AKHIR

ANALISA PERBANDINGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN KOMPENSASI KAPASITOR TERHADAP REGULASI DAN EFISIENSI GENERATOR INDUKSI

( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU ) Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam

menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

O l e h

ALBERT GINTING NIM. 060402102

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering digunakan dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai penggerak, motor induksi juga dapat dijadikan sebagai generator atau sering juga disebut dengan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). Secara umum konstruksi motor induksi adalah sama dengan konstruksi generator induksi, hanya saja dalam pengoperasiannya generator induksi memerlukan prime over untuk menggerakkan rotor motor induksi tersebut. Rotor tersebut dikopelkan ke prime over lalu diputar sedemikian sehingga menghasilkan slip negatif (1>s ). Artinya kecepatan putaran rotor harus di atas kecepatan medan putar stator (ns<nr). Tidak hanya itu saja, motor induksi tersebut juga memerlukan kapasitor untuk menyediakan daya reaktif. Kapasitor ini dipasangkan secara paralel ke statornya.

Besar nilai kapasitor daya reaktif yang dihasilkan tergantung besar nilai kapasitor yang digunakan dan hubungan dari kapasitor tersebut. Daya reaktif mempengaruhi regulasi dan efisiendi generator induksi tersebut.

Generator induksi juga bisa dilengkapi dengan kapasitor kompensasi yang bertujuan untuk membantu kapasitor eksitasi dalam hal menambah daya reaktif yang dibutuhkan. Oleh karena itu penulis akan menganalisis perbandingan regulasi dan efisiensi generator induksi dengan hubungan kapasitor yang berbeda dengan menggunakan kompensasi menggunakan kapasitor.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun Tugas Akhir ini dibuat untuk memenuhi syarat kesarjanaan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada ayah, ibu, abang serta adik - adik tercinta yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan penulis dari awal penulisan hingga selesainya tugas akhir ini

Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Ir.Syamsul Amien, Msi, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

2. Bapak Ir.Sihar P Panjaitaitan, MT, selaku dosen Wali penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, MSi selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzy, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.

4. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.

5. Kepala laboratorium konversi energi listrik ( Ir. Syamsul Amien, Msi ),pegawai laboratorium konversi energi listrik ( abang Isroi Tanjung ST ),seluruh asisten laboratorium konversi energi listrik ( Muhammad Iqbal dan kawan-kawan ).

6. Sahabat – sahabatku, Muhammad Azhary Siregar, Ronald P Sinaga.

7. Teman – teman mahasiswa teknik elektro angkatan 2006 yang tidak bisa saya sebutkan namanya satu persatu.

8. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya.

Medan, 26 November 2011

Albert Ginting NIM:

060402102

DAFTAR ISI

ABSTRAK... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR... viii

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan dan mamfaat Penulisan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA ... 6

2.1 Umum ... 6

2.2 Konstruksi Motor Induksi ... 6

2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa ... 9

2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai ... 9

2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ... 11

2.4 Medan Putar ... 12

2.5 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa... 15

2.6 Rangkaian Ekivalen ... 17

2.7 Aliran Daya Motor Induksi ... 23

2.8 Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa ... 25

2.9 Penentuan Parameter Motor Induksi ... 27

BAB III MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR ... 35

3.1. Umum ... 35

3.2 Syarat – syarat Motor Induksi Sebagai Generator ... 36

3.3 Slip ... 37

3.4 Frekuensi Rotor ... 37

3.5 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 38

3.6 Kapasitor Eksitasi ... 40

3.7 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi ... 41

3.7.1 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan . Delta ( ∆ ) ... 41

3.7.2 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan

Bintang ( Y ) ... 42

3.8 Peroses Pembangkitan Tegangan dan Rangkaian Ekivalen ... 43

3.9 Aliran Daya Generator Induksi ... 46

3.10 Efisiensi ... 47

3.11 Generator Induksi Penguatan Sendiri Keadaan Berbeban ... 47

3.12 Persamaam Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 49

BAB IV ANALISA PERBANDINGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN KOMPENSASI KAPASITOR TERHADAP RAGULASI DAN EFISIENSI GENERATOR INDUKSI ... 50

4.1 Umum ... 50

4.2 Peralatan Yang Digunakan... 50

4.3 Penentuan Besar Nilai Kapasitor ... 52

4.4 Pengujian Analisa Perbandingan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta dan Bintang Dengan Menggunakan Kompensasi Kapasitor Terhadap Regulasi dan Efisiensi Generator Induksi. ... 54

4.4.1 Pengujian Pengukuran Tahanan Stator ... 54

4.4.2 Pengujian Motor Induksi Sebagai Generator Dalam Keadaan Berbeban Dengan Menggunakan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta dan Bintang ... 57

4.4.3 Analisa Data Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan

Kapasitor ... 60

4.4.4 Tabel Hasil Analisa Data ... 69

4.4.5 Kurva Perbandingan Regulasi dan Efisiensi Generator Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta dan Bintang…70 BAB V PENUTUP ... 72

5.1 Kesimpulan ... 72

5.2 Saran ... 72

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 (a) Konstruksi Stator ... 7

Gambar 2.1 (b) Konstruksi Rotor ... 7

Gambar 2.1 (c) Konstruksi Motor Induksi ... 7

Gambar 2.2 Menggambarkan komponen stator motor induksi tiga phasa... 8

Gambar 2.2 (a) Lempengan inti... 8

Gambar 2.2 (b) Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya ... 8

Gambar 2.2 (c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator ... 9

Gambar 2.3 Pembagian motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya ... 10

Gambar 2.4 (b) Tipikal Rotor Sangkar ... 11

Gambar 2.4 (c) Bagian-bagian Rotor Sangkar ... 11

Gambar 2.5 Cincin slip ... 12

Gambar 2.6 Rotor Belitan ... 13

Gambar 2.7 Medan putar pada ... 14

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen stator motor induksi ... 18

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi. ... 21

Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa ... 22

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi. ... 22

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi ... 23

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi... 24

Gambar 2.14 Diagram aliran daya motor induksi ... 26

Gambar 2.15 Efisiensi pada motor induksi ... 27

Gambar 2.16 Rangkaian pengujian tahanan stator arus searah motor induksi ... 28

Gambar 2.17 Rangkaian rotor ditahan motor induksi ... 29

Gambar 2.18 Rangkaian pada Saat Beban Nol ... 32

Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen pada saat beban nol ... 32

Gambar 3.1 Prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri... 38

Gambar 3.2 Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi... 39

Gambar 3.3 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi Tanpa Beban ... 40

Gambar 3.4 Kapasitor terhubung delta ... 41

Gambar 3.5 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan delta ... 42

Gambar 3.6 Kapasitor terhubung bintang ... 42

Gambar 3.7 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan bintang... 43

Gambar 3.8 Rangkaian proses pembangkitan tegangan ... 43

Gambar 3.9 Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi ... 44

Gambar 3.10 Proses pembangkitan tegangan. ... 45

Gambar 3.11 Tegangan fungsi kapasitor eksitasi. ... 45

Gambar 3.12 Diagram aliran daya nyata.. ... 46

Gambar 3.13 Rangkaian generator induksi penguatan sendiri hubungan short – shunt. ... 48

Gambar 3.14 Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi hubungan short shunt. ... 48

Gambar 4.1 Rangkaian percobaan dengan suplai DC ... 54

Gambar 4.2 Rangkaian pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri dengan kompesasi tegangan menggunakan kapasitor .... 57

Gambar 4.3 Kurva perbandingan regulasi generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan delta dan bintang ... 70

Gambar 4.4 Kurva perbandingan efisiensi generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan delta dan bintang ... 71

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Distribusi Empiris dari Xbr ... 31

Tabel 4.1 Data hasil pengujian tahanan stator DC ... 55 Tabel 4.2 Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri

dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor hubungan delta ... 59 Tabel 4.3 Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan

sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor hubungan bintang ... 59 Tabel 4.4 Tabel hasil analisa data perbandingan regulasi dan efisiensi

generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan dela

ABSTRAK

Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering digunakan dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai penggerak, motor induksi juga dapat dijadikan sebagai generator atau sering juga disebut dengan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). Secara umum konstruksi motor induksi adalah sama dengan konstruksi generator induksi, hanya saja dalam pengoperasiannya generator induksi memerlukan prime over untuk menggerakkan rotor motor induksi tersebut. Rotor tersebut dikopelkan ke prime over lalu diputar sedemikian sehingga menghasilkan slip negatif (1>s ). Artinya kecepatan putaran rotor harus di atas kecepatan medan putar stator (ns<nr). Tidak hanya itu saja, motor induksi tersebut juga memerlukan kapasitor untuk menyediakan daya reaktif. Kapasitor ini dipasangkan secara paralel ke statornya.

Besar nilai kapasitor daya reaktif yang dihasilkan tergantung besar nilai kapasitor yang digunakan dan hubungan dari kapasitor tersebut. Daya reaktif mempengaruhi regulasi dan efisiendi generator induksi tersebut.

Generator induksi juga bisa dilengkapi dengan kapasitor kompensasi yang bertujuan untuk membantu kapasitor eksitasi dalam hal menambah daya reaktif yang dibutuhkan. Oleh karena itu penulis akan menganalisis perbandingan regulasi dan efisiensi generator induksi dengan hubungan kapasitor yang berbeda dengan menggunakan kompensasi menggunakan kapasitor.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Namun, sedikit sekali masalah generator induksi ditulis sebagai subjek. Alasannya adalah karena generator induksi tidak mampu mengendalikan tegangan dan frekuensi pada kondisi berbeban dan kecepatan perputaran yang berubah. Sehingga dari salah satu penyebabnya tersebut, Generator sinkron selalu digunakan dalam unit – unit pembangkit tenaga listrik.

Namun, akhir – akhir ini karena cadangan sumber energi yang tidak terbarukan seperti minyak, gas bumi, batubara dan lain – lain dirasakan semakin menipis,maka pengembangan generator induksi penguatan sendiri yang digerakkan oleh energi angin, pembangkit mikrohidro, biogas dan lain – lain mulai menjadi semakin mendapat perhatian yang nyata. Selain itu, keuntungan lain dari mesin ini adalah kontruksinya yang kokoh, biaya pemeliharaan yang rendah dan tidak membutuhkan penguatan DC.

Eksitasi generator induksi penguatan sendiri diperoleh dari kapasitor yang dihubungkan dengan terminal stator generator. Kapasitor yang dihubungkan ke generator dapat dihubung delta dan bintang. Kapasitor ini berfungsi sebagai pembangkit daya reaktif untuk menghasilkan fluksi magnetisasi di celah udara. Jadi tanpa adanya daya reaktif untuk kebutuhan arus eksitasi, kerja mesin induksi sebagai generator tidak mungkin terlaksana.

.Untuk memenuhi kebutuhan daya reaktif dapat juga dengan menambahkan kapasitor kompensasi untuk membantu kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan oleh oleh generator. Oleh karena itu penulis akan menganalisis perbandingan regulasi dan efisiensi generator induksi dengan hubungan kapasitor yang berbeda dengan menggunakan kompensasi menggunakan kapasitor.

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Menambah wawasan mengenai generator induksi penguatan sendiri.

2. Mengetahui besar nilai kapasitor yang akan disuplai pada generator induksi untuk membangkitkan arus eksitasi yang diperlukan.

3. Mengetahui perbedaan yang diberikan kapasitor hubungan why (Y) dan hubungan delta ( ) terhadap regulasi dan effisiensi generator induksi.

4. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium konversi energi listrik

1.3 Batasan Masalah

Untuk menjaga agar pembahasan materi dalam Tugas Akhir ini lebih terarah, maka penulis menetapkan beberapa batasan masalah sebagai berikut :

1. Motor induksi yang penulis ambil sebagai aplikasi adalah Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Tupai pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT.USU. 2. Analisa dilakukan dalam kondisi steady state.

3. Data yang diambil adalah tegangan terminal generator, arus kapasitor, arus beban, putaran, dan daya, sesuai dengan perubahan beban..

4. Semua parameter mesin diasumsikan tetap.

5. Rugi-rugi inti, rugi gesek+angin, dan rugi-rugi di rotor diabaikan, hanya rugi-rugi tembaga stator yang diperhitungkan.

6. Kapasitor eksitasi yang digunakan adalah hubungan Why ( ) dan Delta ( ∆ ). 7. Generator induksi memakai kompensasi menggunakan kapasitor.

8. Kondisi beban yang menjadi objek penelitian adalah beban yang bersifat resistif berupa lampu pijar.

9. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik.

1.4 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, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa

1.5 Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

Bab ini membahas mengenai motor induksi tiga phasa secara umum, konstruksi motor induksi tiga phasa, prinsip kerja motor induksi tiga phasa, medan putar, rangkaian ekivalen motor induksi, aliran daya pada motor induksi, torsi motor induksi tiga phasa, efisiensi motor induksi tiga phasa, disain motor induksi, dan penentuan parameter motor induksi.

BAB III. MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR ( MISG ) PENGUATAN SENDIRI

Bab ini membahas mengenai motor induksi sebagai generator secara umum, syarat – syarat motor induksi sebagai generator, prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri, proses pembangkitan tegangan dan rangkaian ekivalen, aliran daya nyata generator induksi penguatan sendiri, pengaruh pembebanan terhadap arus eksitasi, pembebanan dengan faktor kerja satu, generator induksi penguatan sendiri hubungan short shunt, persamaan tegangan, arus dan daya pada generator induksi penguatan sendiri hubungan short shunt. keuntungan dan kelemahan motor induksi sebagai generator.

BAB IV. PENGUJIAN PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI DAN EFISIENSI GENERATOR INDUKSI DENGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN MENGGUNAKAN KOMPENSASI KAPASITOR

Bab ini membahas tentang pengujian pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi. Pengambilan data dilakukan dengan melakukan percobaan di laboratorium. Hasil yang diinginkan adalah

parameter generator induksi penguatan sendiri untuk mendapatkan nilai regulasi tegangan dan efisiensi generator induksi tersebut.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini merupakan bagian penutup berupa kesimpulan dan saran yang berkaitan dengan pembahasan mengenai analisa perbandingan pengaruh besar nilai kapasitor eksitasi terhadap regulasi dan efisiensi generator induksi.

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

2.1 Umum

Motor induksi merupakan motor arus bolak – balik ( AC ) yang paling luas digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa 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 arus stator.

Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi masih memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor DC hal yang sama tidak dijumpai.

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa

Motor induksi adalah motor ac yang paling banyak dipergunakan, 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 1.

(a)

(b)

(C)

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 Menggambarkan Komponen Stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan Inti

(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator

Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor induksi tiga fasa berdasarka jenis rotornya.

2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa

Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu: 1. motor induksi tiga fasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor) 2. motor induksi tiga fasa rotor belitan ( wound-rotor motor )

Gambar 2.3 Pembagian motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya

kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.

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 2.4 di bawah ini.

Gambar 2.4 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

(a)

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.

2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ( wound-rotor motor )

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.

Gambar 2.5 Cicin Slip

Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang berfunsi membatasi arus pengasutan dan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor.

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 fasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.6 Rotor Belitan

2.4 Medan Putar

Medan putar dapat dijelaskan pada gambar di bawah dengan “menghentikan” medan tersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandai dengan interval 60o pada gelombang sinus yang mewakili arus yang mengalir pada tiga fasa A,B, dan C. Jika arus mengalir dalam suatu fasa adalah positif, medan magnet akan menimbulkan kutub utara pada kutub stator yang ditandai dengan A’, B’, dan C’.

F

F

F F

F

F

F

Gambar 2.7 Medan Putar

Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positif maksimumnya. Pada saat yang sama, arus pada fasa A dan B berada pada separuh harga negative maksimumnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk secara vertical dengan arah ke bawah, dengan kekuatan medan maksimum terjadi sepanjang fasa C, antara kutub C (utara) dengan C’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang dihasilkan sepanjang

fasa A dan B, dengan kutub-kutub A’ dan B’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan B menjadi kutub-kutub selatan. Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 60 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa A telah naik hingga harga negative maksimumnya. Arus pada fasa B mempunya arah yang berlawanan dan berada pada separuh harga maksimum positifnya. Begitu pula arus pada fasa C telah turun hingga separuh dari harga maksimum positifnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk ke kiri arah bawah, dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasa A, antara kutub-kutub A’ (utara) dan A (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang timbul sepanjang fasa B dan C, dengan kutub B dan C menjadi kutub utara dan kutub-kutub B’ dan C’ menjadi kutub-kutub-kutub-kutub selatan. Di sini terlihat bahwa medan magnet pada stator motor secara fisik telah berputar sebanyak 60o. Pada posisi T3, gelombang sinus arus berputar lagi 60 derajat listrik dari posisi sebelumnya hingga total rotasi pada posisi ini sebesar 120 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa B telah naik hingga mencapai harga positif maksimumnya. Arus pada fasa A telah turun hingga separuh dari harga negative maksimumnya, sementara arus pada fasa C telah berbalik arah dan berada pada separuh harga negative maksimumnya pula. Medan magnet yang dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasa B, antara kutub B (utara) dan B’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah sepanjang fasa A dan C, dengan kutub A’ dan C’ menjadi kutub utara dan kutub A dan C menjadi kutub-kutub selatan. Sehingga terlihat di sini bahwa medan magnet pada stator telah berputar 60o lagi dengan total putaran sebesar 120o. Pada posisi T4, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 180 derajat listrik dari titik T1 sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalah indentik dengan posisi T1 kecuali bahwa polaritasnya telah berbalik. Karena fasa C kembali pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C kembali berada pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C akan memiliki kekuatan

medan maksimum. Meskipun demikian, dengan arus yang mengalir dalam arah yang berlawanan pada fasa C, medan magnet yang timbul mempunyai arah ke atas antara kutub C’ (utara) dan C (selatan). Terlihat bahwa medan magnet sekarang telah berotasi secara fisik sebanyak 180o dari posisi awalnya. Pada posisi T5, fasa A berada pada harga positif maksimumnya, yang menghasilkan medan magnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali, medan magnet secara fisik telah berputar 60o dari titik sebelumnya sehingga total rotasi sebanyak 240o. Pada titik T6, fasa B berada pada harga maksimum negative yang menghasilkan medan magnet ke arah bawah sebelah kanan. Medan magnet pun telah berotasi sebesar 60o dari titik T5 sehingga total rotas adalah 300o. Akhirnya, pada titik T7, arus kembali ke polaritas dan nilai yang sama seperti pada Posisi T1. Karenanya, medan magnet yang dihasilkan pada posisi ini akan identik dengan pada posisi T1. Dari pembahasan ini, terlihat bahwa untuk satu putaran penuh gelombang sinus listrik (360o), medan magnet yang timbul pada stator sebuah motor juga berotasi satu putaran penuh (360o). Sehingga, dengan menerapkan tiga-fasa AC kepada tigfa belitan yang terpisah secara simetris sekitar stator, medan putar (rotating magnetic field) juga timbul.

2.5 Perinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa

Secara umum perinsip kerja motor induksi dapat dijabarkan dalam langkah – langkah berikut:

1. Pada keadaan beban nol Ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa.

2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah

3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa

e1 =

dt d

N Φ

− 1 ( Volt )

atau E₁ =4,44fN₁Φ ( Volt )...(2.1)

5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar dengan kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi

stator f yang dirumuskan dengan

p f

n_s =120× ( rpm )

6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya

E₂ =4,44fN₂Φ_m ( Volt )

dimana :

E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)

N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor

Фm = Fluksi maksimum(Wb)

7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan arus I2

8. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor

9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban,

rotor akan berputar searah medan putar stator

10.Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan

dinyatakan dengan

100%

s r s − ×

=

n n n s

11.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

E_2s =4,44sfN₂Φ_m ( Volt )

dimana

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

f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan

berputar)

12.Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan

rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns

2.6 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi a. Rangkaian Ekivalen Stator

Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metoda rangkaian ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan sebagai berikut :

1

V

1

R

1

X

1

I

c

R X_m

0

I

c

I Im

2

I

1

E

Gambar2.8 Rangkaian ekivalen stator motor induksi dimana :

V1 = tegangan terminal stator ( Volt )

E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan ( Volt )

I1 = arus stator ( Ampere )

R1 = tahanan efektif stator ( Ohm )

X1 = reaktansi bocor stator ( Ohm )

Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan komponen arus penguat I0. Komponen arus penguat I0 merupakan arus stator tambahan yang diperlukan

untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan merupakan fungsi ggm E1.

Komponen arus penguat I0 terbagi atas komponen rugi – rugi inti IC yang sefasa

dengan E1 dan komponen magnetisasi IM yang tertinggal 900 dari E1.

Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya ( Erotor ) dan

tegangan yang diinduksikan pada rotor ekivalen ( E2S ) adalah :

rotor S E

E₂

=

2 1

N N

= a

atau

E2S = a Erotor ………...………... ( 2.2 )

dimana a adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya a kali jumlah lilitan rotor.

Bila rotor – rotor diganti secara magnetik, lilitan – ampere masing – masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2S pada rotor ekivalen adalah

:

I2S =

a I_rotor

………...………. ( 2.3 )

sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen dan

Z2S = = S S I E 2 2 = rotor rotor I E a2 rotor Z a2

…...………( 2.4 )

Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai nilai yang referensinya ke stator.

Selanjutnya persamaan ( 2.4 ) dapat dituliskan :

= S S I E 2 2 S

Z₂ = R₂+ jsX₂ ………...( 2.5 )

dimana :

Z2S = impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap fasa dengan referensi ke stator

( Ohm ).

R2 = tahanan efektif referensi ( Ohm )

sX2 = reaktansi bocor referensi pada frekuensi slip X2 didefinisikan sebagai harga

reaktansi bocor rotor dengan referensi frekuensi stator ( Ohm ).

b. Rangkaian Ekivalen Rotor

Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.5) dinyatakan dalam cara yang 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.

Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E_2s 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:

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

I_2s= I₂...(2.7) Dengan membagi persamaan (2.6) dengan persamaan (2.7) didapatkan:

= S S I E 2 2 2 1 I sE ………...……..(2.8)

Didapat hubungan antara persamaan (2.7) dengan persamaan (2.8), yaitu

= S S I E 2 2 2 1 I sE

= R₂+ jsX₂……...…...…....(2.9)

Dengan membagi persamaan (2.9) dengan s, maka didapat

2 1 I E = s R₂

+ jX₂……….………...……(2.10)

Dari persamaan (2.5) , (2.6) dan (2.10) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor sebagai berikut :

s

E₂ E₁

2 R 2 sX 2 X s R₂ 2 R ) 1 1 ( 2 − s R 2

I I2

2 X 2 I 1 E

Gambar2.9 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi.

s R2 = s R2

+ R₂- R₂

s R2

= R₂+ ₂(1−1)

s

R ………...(2.11)

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

1

V

1 R 1 X 1 I c

R Xm

Φ

I

c

I

Im

2 I 1 E 2 sX 2 I 2 R 2 sE

Gambar2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa

Untuk mempernudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada gambar 2.10 diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan dapat digambarkan sebagai berikut.

1

V

1

R X1

c R m X ' 2 X 1 E 1

I I0

c I m I 2 ' I s R₂'

Gambar2.11 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi Atau seperti gambar berikut :

1

V

1

R X1

c R m X 2 ' R ' 2 X ) 1 1 ( ' 2 − s R 1 E 1

I I0

c I m I 2 ' I

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 reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen R_cdapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi gambar berikut.

1

V

1

R X₁

m X 2 ' R ' 2 X ) 1 1 ( ' 2 − s R 1 E 1

I I0

2 '

I

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi

2.7 Alran Daya 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

θ cos 3 _{1 1} in VI

dimana :

V1 = tegangan sumber (Volt)

I1 = arus masukan(Ampere)

θ = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber.

Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya mekanik

pada poros motor. Berbagai rugi – rugi yang timbul selama proses konversi energi listrik antara lain :

1. Rugi – rugi tetap ( fixed losses ), terdiri dari :

 rugi – rugi inti stator ( Pi )

Pi =

C R

E₁2

. 3

( Watt ) ………...…..( 2.13 )

 rugi – rugi gesek dan angin 2. Rugi – rugi variabel, terdiri dari :

 rugi – rugi tembaga stator ( Pts )

Pts = 3. I12. R1 ( Watt ) ………...….( 2.14 )

 rugi – rugi tembaga rotor ( Ptr )

Ptr = 3. I22. R2 ( Watt ) …………...………..( 2.15 )

Daya pada celah udara ( Pcu ) dapat dirumuskan dengan :

Pcu = Pin – Pts – Pi ( Watt ) …………...……( 2.16 )

Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian ekivalen yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R2 / s. Oleh karena itu daya pada celah

udara dapat juga ditulis dengan :

Pcu = 3. I22.

S

R2

Apabila rugi – rugi tembaga dan rugi – rugi inti dikurangi dengan daya input motor, maka akan diperoleh besarnya daya listrik yang diubah menjadi daya mekanik.

Besarnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah :

Pmek = Pcu – Ptr ( Watt ) …………...………( 2.18 )

Pmek = 3. I22.

S

R₂

- 3. I22. R2

Pmek = 3. I22. R2. (

s s

−

1 )

Pmek = Ptr x (

s s

−

1

) ( Watt ) …………...…( 2.19 )

Dari persamaan ( 2.15 ) dan ( 2.17 ) dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga dengan daya pada celah udara :

Ptr = s. Pcu ( Watt ) ………...…………( 2.20)

Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya pada celah udara dikurangi dengan rugi – rugi tembaga rotor, maka daya mekanik dapat juga ditulis dengan :

Pmek = Pcu x ( 1 – s ) ( Watt ) …………...…( 2.21 )

Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin, sehingga daya keluarannya :

Pout = Pmek – Pa&g – Pb ( Watt ) ………...…( 2.22 )

Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan dalam bentuk slip yaitu :

Pcu : Ptr : Pmek = 1 : s : 1 – s.

Gambar 2.14 menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga phasa : Energi listrik konversi Energi mekanik

Gambar 2.14 Diagram aliran daya motor induksi

2.8 Efisiensi Motor Induksi Tiga Phasa

Efisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan sebagai ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan / rasio daya output ( keluaran ) dengan daya input ( masukan ), atau dapat juga dirumuskan dengan :

Loss out out in loss in in out % 100 % 100 (%) P P P x P P P x P P + = − = =

η ×100%. ………...…….( 2.23 )

Ploss = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb ……….…………...……….( 2.24 ) Pin = 3 . V1. I1. Cos φ1 ………...……( 2.25 )

Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa efisiensi motor tergantung pada besarnya rugi – rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan efisiensi motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secara penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan.

Gambar 2.15. Efisiensi pada motor induksi dimana :

Pcu = daya yang diinputkan ke rotor ( Watt )

Ptr = rugi – rugi tembaga rotor ( Watt )

Efisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi – rugi mekanik dan rugi – rugi inti. Rugi – rugi tembaga stator tidak dapat diabaikan sekalipun motor berbeban ringan maupun tanpa beban.

2.9 Penentuan Parameter Motor Induksi 2.9.1 Pengujian DC

Pengujian ini digunakan untuk mengetahui nilai parameter resistansi stator ( primer ) R1. Pada pengujian ini kumparan stator dialiri arus searah, sehingga suhunya mencapai suatu

nilai yang sama jika motor induksi beroperasi pada kondisi operasi normal ( resistansi kumparan merupakan fungsi suhu ).

Gambar 2.16 Rangkaian pengujian tahanan stator arus searah motor induksi

Pada percobaan ini, jika kumparan stator terhubung bintang (Gambar 2.16.a), maka arus akan mengalir melewati dua kumparan dengan resistansi sebesar 2R1, sehingga :

AS AS I V

= 2R1

R1 =

AS AS I V

2 ………...…………( 2.26 ) Sedangkan jika terhubung segitiga (Gambar 2.16.b), maka arus akan mengalir melewati ketiga kumparan tersebut yang besarnya secara ekivalen terlukis pada gambar berikut, dengan resistansi total :

Sehingga :

AS AS I V

=

3 2

. Rt

atau

R1 =

AS AS I V

2 3

………...…………( 2.27 )

Nilai R1 yang didapat hanya merupakan nilai pendekatan, karena pada kondisi operasi

normal, motor induksi diberikan pasokan tegangan arus bolak – balik yang dapat menimbulkan efek kulit ( skin effect ) yang mempengaruhi besarnya nilai R1.

2.9.2 Pengujian Rotor Tertahan

Pengujian ini pada prinsipnya adalah seperti pengujian hubung – singkat pada transformator. Motor induksi dihubungkan dengan sumber daya listrik, serta instrumen – instrumen ukur pada gambar berikut :

1

R

1

R

1

P1

P2

V A

A

A

Motor IR

IS

IT

fr = fj = f uji

Rotor Ditahan

Gambar 2.17 Rangkaian rotor ditahan motor induksi

di mana :

fr = frekuensi rotor; fj = frekuensi jaringan listrik; fuji = frekunsi uji

Pada pengujian ini, rotor ditahan agar tidak berputar dan pada saat itu nilai–nilai pada instrumen ukur dicatat. Pada pengujian ini ketika setelah frekuensi dan tegangan diatur, serta rotor ditahan, arus yang mengalir pada motor harus dengan segera disetel pada nilai nominalnya, data daya masukan, tegangan dan arus yang terukur harus dengan segera dicatat sebelum rotor menjadi sangat panas. Sumber daya yang digunakan adalah sumber daya yang tagangan dan frekuensinya dapat disetel atau diatur ( adjustable ).

IRT ( jala – jala ) =

3

T S

R I I

I + +

≈ Inominal ……...…………( 2.28 )

di mana :

IRT = arus rata – rata pada saat pengujian rotor ditahan.

Adapun nilai impedansi per fasa pada percobaan ini sebesar :

ZRT =

RT ph R

V

………...…………..( 2.29 )

di mana :

ZRT = RRT + jXRT' ………...………( 2.30 )

XRT' = X1' + X2'………...….( 2.32 )

di mana :

R1 dan R2 adalah besarnya resistansi kumparan stator dan kumparan rotor.

X'1 dan X'2 adalah besarnya reaktansi kumparan stator dan rotor pada frekuensi uji.

Sedangkan besarnya reaktansi kumparan stator dan rotor pada kondisi operasi normal adalah :

XRT =

uji al no

f f _min

. XRT' = X1 + X2 ………...……( 2.33 )

Adapun untuk menentukan besarnya nilai X1 dan X2 dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 2.1. Standar besarnya reaktansi berbagai jenis desain rotor.

Tabel di atas didasarkan pada percobaan yang telah dilakukan bertahun – tahun lamanya dan dijadikan standar NEMA ( National Electrical Manufacturers Association ).

2.9.3 Percobaan Beban Nol

Disain Rotor X1 X2

Rotor belitan 0,5 XRT 0,5 XRT

Kelas A 0,5 XRT 0,5 XRT

Kelas B 0,4 XRT 0,6 XRT

Kelas C 0,3 XRT 0,7 XRT

Motor induksi dalam keadaan beban nol dibuat dalam keadaan berputar tanpa memikul beban pada rating tegangan dan frekuensinya. Besar tegangan yang digunakan ke belitan stator perphasanya adalah V₁( tegangan nominal), arus masukan sebesarI₀ dan dayanya P₀. Nilai ini semua didapat dengan melihat alat ukur pada saat percobaan beban nol.

Dalam percobaan beban nol, kecepatan motor induksi mendekati kecepatan

sinkronnya. Dimana besar s  0, sehingga s R₂'

 ~ sehingga besar impedansi total bernilai tak berhingga yang menyebabkan arus I'2 pada Gambar 2.19 bernilai nol sehingga

rangkaian ekivalen motor induksi pada pengukuran beban nol ditunjukkan pada Gambar 2.20. Namun karena pada umumnya nilai kecepatan motor pada pengukuran ini n_r0 yang diperoleh tidak sama dengan ns maka slip tidak sama dengan nol sehingga ada arus I2’ yang sangat kecil

mengalir pada rangkaian rotor, arus I'2 tidak diabaikan tetapi digunakan untuk menghitung

rugi – rugi gesek + angin dan rugi – rugi inti pada percobaan beban nol. Pada pengukuran ini didapat data-data antara lain : arus input (I1=I0), tegangan input (V1 = V0), daya input

perphasa (P0) dan kecepatan poros motor (nr₀). Frekuensi yang digunakan untuk eksitasi

adalah frekuensi sumber f.

Iφ

Zm

V1

I1 = Iφ

Im Ic Rc jX1 R1 Xm s R'2 2

'

X

Gambar 2.19 Rangkaian Ekivalen pada Saat Beban Nol

Dengan tidak adanya beban mekanis yang terhubung ke rotor dan tegangan normal diberikan ke terminal, dari Gambar 2.19 didapat besar sudut phasa antara arus antara I₀ dan

0

V adalah :

_      = − 0 0 0 1 0 I V P Cos θ ...(2.34) Dimana: P0 =Pnl =daya saat beban nol perphasa

1 0 V

V = = tegangan masukan saat beban nol

= =I_nl

I₀ arus beban nol

dengan P0 adalah daya input perphasa. Sehingga besar E1 dapat dinyatakan dengan

E₁=V₁∠0o −(I_ϕ∠θ₀)(R₁ + jX₁) (Volt )...(2.35)

ro

n adalah kecepatan rotor pada saat beban nol. Daya yang didissipasikan oleh Rc

dinyatakan dengan :

2 ₁ 0 0 c P I R

P = − ( Watt )...(2.36)

1

R didapat pada saat percobaan dengan tegangan DC. Harga Rc dapat ditentukan dengan

0 2 1 c

P E

R = (Ohm )...(2.37)

Dalam keadaan yang sebenarnya R₁ lebih kecil jika dibandingkan dengan X_m dan juga R_c

jauh lebih besar dari X_m, sehingga impedansi yang didapat dari percobaan beban nol dianggap jX₁ dan jX_myang diserikan.

nl

Z =

3

1

nl I

V

≅ j(X₁+Xm) ( Ohm )...(2.38)

Sehingga didapat

1 1

3 X

I V X

nl

BAB III

MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR

3.1 Umum

Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Bila dioperasikan sebagai motor, mesin induksi harus dihubungkan dengan sumber tegangan ( jala – jala ) yang akan memberikan energi mekanis pada mesin tersebut dengan mengambil arus eksitasi dari jala – jala dan mesin bekerja dengan slip lebih besar dari nol sampai satu ( 0 ≤ s ≤ 1 ).

Jika mesin dioperasikan sebagai generator, maka diperlukan daya mekanis untuk memutar rotornya searah dengan arah medan putar melebihi kecepatan sinkronnya dan sumber daya reaktif untuk memenuhi kebutuhan arus eksitasinya. Kebutuhan daya reaktif dapat diperoleh dari jala – jala atau dari suatu kapasitor. Tanpa adanya daya reaktif, mesin induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak menghasilkan tegangan. Jika generator induksi terhubung dengan jala – jala, maka kebutuhan daya reaktif diambil dari jala – jala. Namun, bila generator induksi tidak tehubung dengan jala – jala, maka kebutuhan daya reaktif dapat disediakan dari suatu unit kapasitor. Kapasitor tersebut dihubungkan paralel dengan terminal keluaran generator. Kapasitor yang terpasang harus mampu memberikan daya reaktif yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluksi di celah udara. Karena generator dapat melakukan eksitasi sendiri maka generator tersebut dinamakan generator induksi penguatan sendiri. Mesin induksi yang beroperasi sebagai generator ini bekerja dengan slip yang lebih kecil dari nol ( s < 0 ).

Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar ( nr > ns ) dan atau mesin bekerja pada

slip negatip ( s < 0 ).

ns =

p f

120

………...……...…...( 3.1 )

dengan :

ns : Kecepatan medan putar, rpm

f : Frekuensi sumber daya, Hz p : Jumlah kutub motor induksi.

Sehingga ;

s =

s r s

n n n −

. 100 % , nr > ns………...………..( 3.2 )

dengan : s : slip

ns : Kecepatan medan putar, rpm

nr : Kecepatan putar rotor, rpm

Karena Motor Induksi Sebagai Generator ( MISG ) ini bekerja stand alone maka mesin ini memerlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi. Fungsi pemasangan kapasitor pada Motor Induksi Sebagai Generator ( MISG ) beroperasi sendiri ini adalah untuk menyediakan daya reaktif.

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.

Slip ( s ) =

s r s

n n n −

x 100 %...( 3.3 )

dimana:

nr = kecepatan rotor ( rpm )

ns = kecepatan sinkron ( rpm )

Apabila nr < ns, ( 0 < s < 1 ), kecepatan dibawah sinkron akan menghasilkan kopel,

rotor dijalankan dengan mempercepat rotasi medan magnet, tenaga listrik diubah ke tenaga gerak ( daerah motor ).

Bila nr = ns, ( s = 0 ), tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada

belitan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.

Bila nr > ns, ( s < 0 ), kecepatan di atas sinkron, rotor dipaksa berputar lebih cepat

daripada medan magnet. Tenaga gerak diubah ke tenaga listrik ( daerah generator ). s = 1, rotor ditahan, tidak ada transfer tenaga.

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

3.4 Frekuensi Rotor

Kecepatan dan jumlah kutub derajat ac menentukan frekuensi tegangan yang dibangkitkan. Jika generator mempunyai dua kutub ( utara dan selatan ) dan kumparan berputar pada kecepatan satu putaran per detik, maka frekuensi akan berubah menjadi siklus per detik. Rumus untuk menentukan frekuensi generator ac adalah :

dimana :

f = Frekuensi tegangan yang diinduksikan ( Hz ) p = jumlah kutub pada rotor

n = kecepatan rotor per menit ( r / menit )

Besarnya tegangan yang di bangkitkan tergantung pada kecepatan pada garis medan magnet yang dipotong atau dalam hal generator ac, besarnya tegangan tergantung pada kuat medan dan kecepatan rotor. Karena sebagian besar dioperasikan pada kecepatan konstan, jumlah GGL yang dibangkitkan menjadi tergantung pada penguatan medan.

3.5 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri

Gambar 3.1. 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 ( ns ) dan kemudian akan melakukan

untuk mensuplai tegangan ke stator nanti untuk mempertahankan kecepatan sinkron ( ns )

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 ( nr = ns ). 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 ( nr > ns ), 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.

Gambar 3.2. 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 ( nr ) sedikit lebih cepat dari putaran sinkron (ns) 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.

3.6 Kapasitor Eksitasi

Untuk menentukan kebutuhan nilai kapasitor eksitasi bagi generator induksi diasumsikan generator bekerja tanpa beban. Rangkaian ekivalen generator induksi tanpa beban diperlihatkan dalam Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi Tanpa Beban

Dalam kondisi tanpa beban slip berharga sangat kecil ( s ∼ 0 ), sehingga frekuensi yang dihasilkan akan sebanding dengan kecepatan putaran rotor. Generator induksi akan membangkitkan tegangan bila jumlah loop reaktansi tertutup dalam rangkaian ekivalen Gambar 3.3 sama dengan nol. Kapasitor eksitasi adalah kapasitor yang berfungsi menghasilkan daya reaktiv kepada motor indusi agar dapat beroperasi sebagai generator. Tanpa adanya sumber daya reaktiv maka peroses perubahan motor induksi menjadi generator tidak akan mungkin terjadi. Daya reaktif adalah daya yang dihasilkan oleh beban – beban kapasitif, daya reaktif ini memiliki satuan VAR atau volt ampere reaktif.

3.7 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi

Pemasangan kapasitor eksitasi dapat dilakukan dengan hubungan delta dan bintang.

3.7.1 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta ( ∆ )

Untuk sistem 3 fase, kapasitor dapat dihubung delta. Lihat Gambar 3.4 dibawah :

•

•

•

•

∆ c

V

∆ C

I

Gambar3.4 Kapasitor terhubung delta Kapasitor terhubung delta memiliki persamaan sebagai berikut :

S S S S S C C C C C C C C X I V I V I V

X 3 3

3 3 = = = = ∆ ∆ ∆

………...…... ( 3.5 )

C∆ perphasa = _{v f} Q

π

2

3 2

∆

………...……...( 3.6 )

Gambar dibawah menunjukan suatu generator induksi tiga fasa dengan mengunakan kapasitor eksitasi hubungan delta seperti ditunjukan pada Gambar 3.5 dibawah ini.

MISG

Gambar3.5 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan delta

3.7.2 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan Bintang ( Y )

Untuk sistem 3 fase, kapasitor dapat dihubung bintang. Lihat Gambar 3.6 dibawah :

• • • •

• • •

•

S

C

V ICS

Gambar3.6 Kapasitor terhubung bintang

3 3

S S

Y

C y C

C

I IC dan V

V = = ………...( 3.7 )

CY perphasa = _{V f}

Q

π

2

2

∆

………...……..( 3.8 ) Gambar 3.7 dibawah menunjukan suatu generator induksi tiga fasa dengan mengunakan kapasitor eksitasi hubungan bintang.

Prime mover

MISG

Kapasitor Eksitasi

beban

Gambar3.7 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan bintang

3.8 Peroses Pembangkitan Tegangan dan Rangkaian Ekivalen

Syarat utama terbangkitnya tegangan generator induksi adalah adanya remanensi di rotor atau kapasitor eksitasi yang digunakan harus mempunyai muatan listrik terlebih 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 3.8 memperlihatkan rangkaian proses pembangkitan tegangan generator induksi.

E2 E1

C eksitasi beban

rotor stator

Dari gambar 3.8 dapat dibuat rangkaian ekivalen per phasa generator induksi seperti gambar 3.9.

Xm

s R

X

R X

I

Xc

Ic E1

b

e

b

a

n

V 2

2

1 1

1

I_L

Gambar3.9 Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi Dimana :

R1 = tahanan stator IL = arus beban

R2 = tahanan rotor s = slip

X1 = reaktansi stator v = tegangan keluaran (phasa-netral)

X2 = reaktansi rotor

Xm = reaktansi magnetisasi

XC = reaktansi kapasitansi

I1 = arus stator

IC = arus magnetisasi

Dengan menghubungkan kapasitor di terminal stator, akan terbentuk suatu rangkaian tertutup. Dengan adanya tegangan awal tadi, di rangkaian akan mengalir arus. Arus tersebut akan menghasilkan fluksi di celah udara, sehingga di stator akan terbangkit tegangan induksi sebesar E1. Tegangan E1 ini akan mengakibatkan arus mengalir ke kapasitor sebesar I1.

Dengan adanya arus sebesar I1, akan menambah jumlah fluksi di celah udara, sehingga

tegangan di stator menjadi E2. Tegangan E2 akan mengalirkan arus di kapasitor sebesar I2

meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik keseimbangan E = VC seperti ditunjukkan

dalam gambar 3.10. Dalam kondisi ini tidak terjadi lagi penambahan fluksi ataupun tegangan yang dibangkitkan.

Gambar3.10 Proses pembangkitan tegangan.

Nilai kapasitor yang dipasang sangat menentukan terbangkitnya tegangan 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.

Diagram aliran daya nyata dan rugi-rugi daya generator induksi penguatan sendiri ditunjukkan dengan gambar 3.12.

Gambar3.12 Diagram aliran daya nyata.

Rugi-rugi gesekan dan angin Pg+a, rugi-rugi inti stator Pi biasanya dianggap konstan

dan disebut rugi-rugi beban nol. Sedangkan rugi-rugi tembaga stator dan rotor tidak tetap dan besarnya sangat tergantung kepada arus beban. Diagram aliran daya dan rugi-rugi daya nyata generator induksi dapat dinyatakan dengan persamaan-persamaan sebagai berikut :

P1 = Pmek - Pg+a………...…………...(3.9)

Pc = P1 - Pcu2………...…..………….(3.10)

P2 = Pc – Pcu1 – Pi………..…...……….(3.11)

dengan :

P1 = daya masukan rotor

P2 = daya keluaran stator

Pmek = daya mekanis dari prime mover

Pg+a = rugi-rugi gesek dan angin

Pi = rugi-rugi inti stator

Pc = daya pada celah udara

Pcu1 =rugi-rugi tembaga stator

3.10 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.

Adapun efisiensi dapat diperoleh dengan persamaan berikut :

Loss out out in loss in in out % 100 % 100 (%) P P P x P P P x P P + = − = = η ...(3.12)

3.11 Generator Induksi Penguatan Sendiri Keadaan Berbeban

Generator induksi penguatan sendiri hubungan short – shunt merupakan salah satu cara untuk mengkompensasi tegangan keluaran generator induksi penguatan sendiri yaitu dengan cara menambahkan kapasitor yang terhubung seri di sisi beban.

Adapun rangkaian generator induksi hubungan short – shunt dapat dilihat pada gambar berikut :

M

MI

Motor Penggerak

Motor Induksi

Kapasitor Eksitasi

Kapasitor Kompensasi

Beban

R

Gambar 3.13 Rangkaian generator induksi penguatan sendiri hubungan short – shunt

Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi hubungan short shunt diperlihatkan pada gambar berikut :

R

1

R

2

_R

_L

jX

L

jX

1

-jX

c

-jX

cs

jX

m

jX

2

I

1

I

L

E

1

V

L

s

Gambar 3.14 Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi hubungan short shunt

3.12 Persamaam Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri

Berdasarkan rangkaian ekivalen perfasa generator induksi hubungan short shunt maka dapat dibentuk persamaan – persamaan sebagai berikut.

Arus Stator (Is) = ……...( 3.13 )

Arus Beban (Il) = ………...( 3.14 )

Tegangan Beban ( VL ) = IL ( RL + j XL ) ………...………...( 3.15 )

Daya Output Perfasa ( Pout ) = IL2 RL ………...………( 3.16 )

VR ( % ) =

FL L F NL

V V

V −

BAB IV

ANALISA PERBANDINGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN KOMPENSASI KAPASITOR TERHADAP RAGULASI DAN

EFISIENSI GENERATOR INDUKSI 4.1 Umum

Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor, maka diperlukan beberapa pengujian. Pengujian tersebut adalah :

1. Pengujian tahanan stator DC

2. Pengujian beban nol generator induksi penguatan sendiri

3. Pengujian berbeban dan tanpa beban generator induksi penguatan sendiri dengan membandingkan kapasitor eksitasi hubungan Delta dan Bintang dengan menggunakan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor

Parameter mesin yang diperlukan adalah Tahanan stator R1. Parameter tersebut

digunakan untuk menghitung nilai rugi-rugi tembaga stator. Parameter tersebut diperoleh melalui pengukuran langsung dengan pengujian tegangan DC. Penelitian ini dimaksudkan untuk melihat pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri. Dalam percobaan ini digunakan beban jenis lampu pijar yang dirangkai sedemikian rupa dan dengan menggunakan saklar sehingga besar beban dapat diubah-ubah sesuai dengan tujuan penelitian.

4.2 Peralatan Yang Digunakan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor di labolatorium adalah sebagai berikut :

1. Motor induksi 3 fasa ( berfungsi sebagai generator ). Tipe : Rotor sangkar tupai

Spesifikasi :

- AEG Typ 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

2. Mesin DC ( berfungsi sebagai prime mover ). Spesifikasi :

- G-GEN Typ G1 110/ 140 - 220 V

- Arus Jangkar 9,1 A - Arus Medan 0,64 A - 2 Kw

- 1500 rpm, 50 Hz - Kelas Isolasi B

3. Kapasitor sebagai sumber eksitasi 3 buah, masing - masing 36 μF

4. Kapasitor untuk kompensasi tegangan keluaran 6 buah, masing - masing 20 μF 5. Kabel penghubung

6. Beban : lampu pijar

7. Power Supply AC 3 phasa ( PTAC ) 8. Power Supply DC ( PTDC )

10. Alat ukur :

− amperemeter

− wattmeter

− tachometer

4.3 Penentuan Besar Nilai Kapasitor

Apabila kapasitor yang dirangkai pada generator induksi penguatan sendiri adalah hubungan delta ( ∆ ), maka :

Pout = 1,5 Kw

Cos θ = 0,82, θ = 34,910

Daya yang dibutuhkan mesin ketika beroperasi sebagai motor S = √3 VI

=1,73 x 380 x 3,6

=2,36 kVA

Daya aktif yang diserap adalah

P = S cos θ

= 2,36 x 0,82 = 1,93 kW

Daya reaktif yang diserap adalah

=

= 1,35 kvar

Ketika mesin beroperasi sebagai generator induksi, kapasitor harus mensuplai paling sedikit 1,35 : 3 = 0,45 kvar per phasa. Tegangan per phasa adalah 380 V karena kapasitor terhubung delta. Dengan begitu, arus kapasitif per phasa adalah

IC =

V Q

=

380 450

= 1,18 A

Reaktansi kapasitif per phasa adalah

XC =

I V

=

18 , 1 380

= 322,033 Ω

Kapasitansi per phasa paling sedikit seharusnya

C =

C

fX

π

2 1

=

033 , 322 50 2

1

x x

π

= 9,88

µF

Nilai kapasitor yang dipasang sangat menentukan terbangkitnya tegangan atau tidak. Untuk terbangkitnya tegangan generator induksi, nilai kapasitor yang dipasang harus lebih besar dari nilai kapasitor minimum yang diperlukan untuk proses eksitasi. Dalam percobaan kali ini dipakai kapasitor eksitasi untuk hubungan Delta dan Bintang sebesar 36 μF dan 25, dan untuk kompensasi dipakai besar kapasitor 20 μF. Kapasitor eksitasi dipakai 36 μF bertujuan agar hubungan bintang dapat membangkitkan motor induksi menjadi generator.

4.4 Pengujian Analisa Perbandingan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta dan

Bintang Dengan Menggunakan Kompensasi Kapasitor Terhadap Regulasi dan Efisiensi Generator Induksi.

4.4.1 Pengujian Pengukuran Tahanan Stator

Konstanta generator induksi yang digunakan untuk menghitung rugi-rugi tembaga stator dapat ditentukan dengan data-data dari hasil pengukuran pada suplai DC. Dari pengukuran dengan suplai DC dapat dihitung harga tahanan stator R dc. Pengukuran tahanan kumparan stator generator induksi dilakukan dengan menggunakan :

1. Ohm meter 2. Tegangan dc

Cara lain adalah dengan menggunakan volt meter dan ampere meter, dimana ketiga impedansi terhubung bintang. Tahanan sebenarnya adalah setengah dari tahanan hasil pengukuran, karena kumparan terhubung bintang. Dengan cara ini tahanan yang terukur adalah merupakan tahanan dua phasa, maka tahanan perphasanya adalah :

R phasa R = 0,5 ( R RT + R RS – R TS ) R phasa S = 0,5 ( R RS + R TS – R RT ) R phasa T = 0,5 ( R RT + R TS – R RS )

4.4.1.1 Rangkaian Pengujian

A

V U

V

W +

-VDC Variabel

Ru

Rv Rw

Gambar 4.1. Rangkaian percobaan dengan suplai DC

4.4.1.2 Prosedur Pengujian

1. Hubungan belitan stator dibuat hubungan Y, yang akan diukur adalah dua dari ketiga phasa belitan stator.

2. Rangkaian belitan stator dihubungkan dengan suplai tegangan DC 3. Tegangan DC suplai dinaikkan sampai besar tegangan adalah 1 volt

4. Ketika tegangan menunjukkan pada besaran 1 volt, penunjukan alat ukur voltmeter dan amperemeter dicatat

5. Rangkaian dilepas, kemudian diulang dari langkah c dilakukan dengan suplai tegangan variabel, dan dilakukan untuk masing-masing phasa.

4.4.1.3 Data Hasil Pengujian

Rdc = I V

(Ω)

Tabel 4.1. Data hasil pengujian tahanan stator DC

Phasa

V (volt)

I (A)

R

dc

(Ω)

Rdc rata2

R

_ac

(Ω)

U-V

1 2 3

0,09 0,18 0,27

11,11 11,11 11,11

11,11 12,221

V-W

1 2 3

0,09 0,18 0,28

11,11 11,11 10,71

U-W 1 2 3 0,09 0,17 0,27 11,11 11,76 11,11

11,32 12,452

4.4.1.4 Analisa Data Pengujian

Untuk I = 0,09 Ampere Contoh perhitungan data

Rdc = 09 , 0

1

Rdc rata-rata =

3 11 , 11 11 , 11 11 ,

11 + +

= 11,11 ohm = 11,11 ohm

Karena belitan ini beroperasi pada tegangan bolak-balik maka tahanan ini harus dikalikan dengan faktor koreksi 1,1.

Rac = Rdc rata-rata x faktor koreksi

= 11,11 x 1,1 = 12,221 ohm

Dari data hasil percobaan, diperoleh besar tahanan perphasa : R U ac = 0,5 ( R UV + R UW - R VW )

= 0,5 ( 12,221 + 12,452 – 12,067 ) = 6,303 ohm

R V ac = 0,5 ( R UV + R VW – R UW)

= 0,5 (12,221 + 12,067 – 12,452) = 5,918 ohm

R W ac = 0,5 ( R VW + R UW – R UV )

= 0,5 (12,067 + 12,452 – 12,221) = 6,149 ohm

Dari hasil perhitungan diperoleh besarnya harga tahanan stator :

Tahanan stator =

3

RW RV

RU + +

=

3

6,149 5,918

6,303 + +

= 6,123 ohm

4.4.2 Pengujian Motor Induksi Sebagai Generator Dalam Keadaan Berbeban Dengan Menggunakan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta dan Bintang

4.4.2.1 Rangkaian Pengujian

Adapun rangkaian pengujian untuk pengujian berbeban dan tanpa beban pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor dapat dilihat pada gambar 4.2 berikut :

M ind

nr > ns

P T A C 1

Saklar 1 Saklar 3 Saklar 2 Beban V P A1 A f Kapasitor Kompensasi Kapasitor Eksitasi M dc

P T D C 1 Pengaman -MCB -Sekering Sumber Tegangan Dari PLN Saklar 4 A2 P T D C 2

A3

Gambar 4.2. Rangkaian pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri dengan kompesasi tegangan menggunakan kapasitor

1. Motor induksi dikopel dengan motor DC, kemudian rangkaian pengujian dirangkai seperti gambar 4.2.

2. Seluruh switch dalam keadaan terbuka dan pengatur tegangan dalam posisi minimum.

3. Switch S1 ditutup, pengatur PTAC1 dinaikkan sampai dengan tegangan 380

Volt.

4. PTDC2 diatur sehingga penunjukan amperemeter A3 mencapai harga arus penguat nominal motor DC.

5. Switch S4 ditutup, pengatur PTDC1 dinaikkan hingga putaran motor dc sama dengan putaran sinkron motor induksi ( nr = ns ).

Hal ini dilakukan bersamaan secara perlahan untuk mengimbangi putaran rotor mesin induksi, sehinnga tidak ada pembalikan energi.

6. Switch S2 ditutup, hingga kapasitor mencharge dengan sendirinya. Hal ini dibiarkan hingga beberapa menit.

7. Pengatur PTAC1 diturunkan dan Switch S1 dilepas, sehingga yang bekerja menyuplai daya ke motor induksi adalah kapasitor.

8. Kecepatan putaran motor dc dinaikkan hingga melewati putaran sinkron motor induksi ( nr > ns ).

9. Kemudian Switch S3 ditutup dengan menambahkan kapasitor yang diserikan terhadap beban.

10.Atur kecepatan motor DC sehingga V0 bernilai 270 Volt.

11.Atur beban sesuai data yang diinginkan dan buka switch 3, Catat tegangan keluaran generator, arus di kapasitor, arus beban, frekuensi generator, kecepatan putar ( nr ) dan daya yang dihasilkan.

12.Buka switch 3 dan tambah beban sesuai dengan data yang diinginkan, lalu catat kembali data seperti langkah 11 di atas.

13.Turunkan pengatur PTDC1 sampai posisi minimum, kemudian Switch 4 dilepas.

14.Ulangi semua langkah diatas untuk kapasitor eksitasi hubungan bintang seperti Gambar 4.2 diatas.

15.Percobaan selesai.

4.4.2.3 Data Hasil Pengujian

Tabel 4.2 Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor hubungan delta

V0 = 270 Volt

Ceks = 36 μF

Ckom = 20 μF

NO V

(Volt)

I

c(A)

I

L(A)

f (Hz)

n

s

(rpm)

n

r

(rpm)

P (W)

slip

1. 248 3,02 0,12 31 930 1100 150 -0,18

2. 236 2,78 0,23 31 930 1050 270 -0,13

3. 234 2,74 0,24 31 930 1000 300 -0,075

4. 232 2,68 0,3 31 930 980 375 -0,053

Tabel 4.3. Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor hubungan bintang

V0 = 270 Volt

Ceks = 36 μF

NO V

(Volt)

I

c(A)

I

L(A)

f (Hz)

n

s

(rpm)

n

r

(rpm)

P (W)

slip

1. 227 1,26 0,13 40 1200 1300 150 -0,083

2. 219 1,13 0,24 40 1200 1270 270 -0,058

3. 214 1,12 0,25 40 1200 1250 300 -0,041

4. 211 1,09 0,31 40 1200 1230 375 -0,025

4.4.3 Analisa Data Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor

4.4.3.1 Regulasi Tegangan

Regulasi tegangan adalah perubahan tegangan terminal generator antara keadaan beban nol dengan beban penuh yang tergantung pada perubahan beban dan juga faktor daya bebannya.

Rumus untuk mencari besarnya nilai regulasi tegangan adalah :

% 100

× − =

Vfl Vfl Vnl

VR ...( 4.1 )

 Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta a. Untuk Pout = 150 watt

VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

248 248 270

× −

= 8,87 %

VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

236 236

270− _×

= 14,4 %

c. Untuk Pout = 300 watt VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

234 234 270

× −

= 15,3%

d. Untuk Pout = 375 watt VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

232 232

270− _×

= 16,38 %

 Kapasitor Eksitasi Hubungan Bintang a. Untuk Pout = 150 watt VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

227 227

b. Untuk Pout = 270 watt VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

219 219 270

× −

= 23,2 %

c.Untuk Pout = 300 watt VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

214 214

270− _×

= 26,16%

d. Untuk Pout = 375 watt VR = − ×100%

Vfl Vfl Vnl

= 100%

211 211 270

× −

= 27,96 %

4.4.3.2 Efisiensi

Efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri adalah ukuran keefektifan generator induksi penguatan sendiri tersebut untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik yang dinyatakan sebagai perbandingan antara keluaran dengan masukan atau dalam bentuk energi listrik berupa perbandingan watt keluaran dan watt masukan. Juga sering

dinyatakan dengan perbandingan antara keluaran dengan keluaran ditambah rugi-rugi, yang dirumuskan Loss out out in loss in in out P P P P P P P P + = − = =

η ×100%...( 4.2 )

Rugi-rugi gesekan angin dan rugi-rugi inti stator diabaikan. Sehingga rugi-rugi yang diperhitungkan adalah rugi-rugi tembaga stator. Rugi-rugi tembaga stator besarnya tidak tetap tergantung kepada arus beban, yang dirumuskan

Ps = 3 . I12 Rstator……….( 4.3 )

 Kapasitor Eksitasi HubunganDelta a. Untuk Pout = 150 watt

I1 = IL + IC

= 0,12 + 3,02 = 3,14 Ampere

Ps = 3 . I12 Rstator = 3 . 3,14 2 . 6,123

= 181,1 watt

η

=

in out

P P

x 100%

= Ps out out + P P

x 100%

=

181,1 150

150

+ x 100%

b. Untuk Pout = 270 watt I1 = IL + IC

= 0,23 + 2,78 = 3,01 Ampere

Ps = 3 . I12 Rstator

= 3 . 3,01 2. 6,123

= 166,42 watt

η

=

in out

P P

x 100%

=

Ps

out out

+

P P

x 100%

=

166,42 270

270

+ x 100%

= 61,86 %

c. Untuk Pout = 300 watt I1 = IL + IC

= 0,24 + 2,74 = 2,98 Ampere

Ps = 3 . I12 Rstator = 3 . 2,98 2. 6,123

= 89,69 %

d. Untuk Pout = 375 watt I1 = IL + IC

= 0,31 + 1,09 = 1,4 Ampere

Ps = 3 . I12 Rstator = 3 . 1,4 2 . 6,123

= 36 watt

η

=

in out

P P

x 100%

= Ps out out + P P

x 100%

=

36 375

375

+ x 100%

4.4.4 Tabel Analisa Data Percobaan

Tabel 4.4. Tabel hasil analisa data perbandingan regulasi dan efisiensi generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan dela dan bintang

V0 = 270 Volt Ceks = 36 μF Ckom = 20 μF

No

P (W)

Regulasi (%)

Efisiensi (%)

C

_∆

C

Y

C

∆

C

Y

1. 150 8,87 18,9 45,3 80,86

2. 270 14,4 23,2 61,86 88,67

3. 300 15,3 26,16 64,77 89,69

4.4.5 Kurva Perbandingan Regulasi dan Efisiensi Generator Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta dan Bintang

4.4.5.1 Kurva Perbandingan Regulasi Generator Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta dan Bintang

Gambar 4.3. Kurva perbandingan regulasi generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan delta dan bintang

4.4.5.2 Kurva Perbandingan Efisiensi Generator Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta dan Bintang

Gambar 4.4. Kurva perbandingan efisiensi generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan delta dan bintang

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

 Regulasi

Dari kurva analisa data dapat terlihat dengan menggunakan besar kapasitor yang sama, maka kapasitor hubungan delta memiliki regulasi lebih baik dari pada kapasitor yang hubungan bintang. Ini dikarenakan kapasitor hubungan delta memiliki besar arus tiga kali lebih besar dari pada hubungan bintang, maka daya reaktiv yang diberikan ke generator induksi juga lebih besar dan akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar.

 Efisiensi

Dari kurva analisa data terlihat bahwa dengan menggunakan besar kapasitor yang sama, efisiensi dengan menggunakan kapasitor hubunhgan bintang memiliki efisiensi yang lebih baik dari pada kapasitor yang hubungan delta. Ini dikarenakan kapapasitor hubungan delta memiliki arus yang lebih besar dari pada kapasitor hubungan bintang, maka rugi – rugi generator yang menggunakan hubungan delta lebih besar dari pada generator yang menggunakan hubungan bintang.

5.2 Saran

1. Dalam penelitian selanjutnya disarankan untuk menggunakan beban induktif dan kapasitif sebagai beban generator induksi.

2. Untuk penelitian selanjutnya disarankan untuk membandingkan ka[asitor eksitasi hubungan delta dan bintang dengan besar kapsitor yang berbeda.

DAFTAR PUSTAKA

1. Boldea, Ion, “ Variabel Speed Generator ”, Taylor & Francis Group, Ney York, 2006. 2. Boldea, I., and Nasar, S.A., “Induction Machines Handbook”, CRC Press LLC, Boca

Raton, Florida, 2002.

3. Chapman, Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals”,Third Edition Mc Graw Hill Companies, New York, 1999.

4. Fitzgerald, A.E., Kingsley, C.Jr., Umans, S.D., “Electric Machinery ”, Sixth Edition, Mc Graw Hill, Singapore, 2003.

5. Lister, E.C., “Mesin dan Rangkaian Listrik”, Sixth Edition, McGraw-Hill, Inc., 1984.diterjemahkan oleh : Ir.Drs. Gunawan, H., P.T. Gelora Aksara Pratama, 1993.

6. Theraja, B.L. & Theraja, A.K., “A Text Book of Electrical Technology (Volume II)”, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001.

7. Wijaya, Mochtar,”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Penerbit Djambatan, Jakarta , 2001.

8. Wildi, Theodore, “Electrical Machines, Drives And Power System”, Prentice Hall International, Liverpool, 1983.

9. Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Edisi ke-5, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995.