Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan Dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor

(1)

PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI

TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR INDUKSI

PENGUATAN SENDIRI DENGAN KOMPENSASI

TEGANGAN MENGGUNAKAN KAPASITOR

( Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )

OLEH :

NAMA :

NASIR ANDI HAKIM NASUTION

NIM

:

060402009

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi segala cobaan, halangan dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis hadiahkan ke junjungan Nabi Muhammad SAW.

Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu Ayahanda ( H. M. Raja Nasution ) dan Ibunda ( Hj. Siti Harmaini Harahap ), serta Kakanda ( Hadijah Hanum Nasution dan Siti Adhariyani Nasution ) tercinta yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang.

Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah :

PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI DENGAN KOMPENSASI TEGANGAN MENGGUNAKAN KAPASITOR

( Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU )

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis dalam kesempatan ini ingin mengucapkan terima kasih kepada :

(3)

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman S. Baafai dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Pelaksana Harian Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

2. Ibu Ir. Windalina Syafiar selaku dosen wali penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan.

3. Bapak Ir. Eddy Warman selaku Dosen Pembimbing yang dengan sabar dan tulus meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4. Seluruh Staf Pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh Pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas bantuan administrasinya.

5. Keluarga Besar Laboratorium Distribusi dan Transmisi FT USU : Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, Bang Dedi, ST, Bang Irpan, ST, Randy, Bang Budi, ST.

6. Sahabat – sahabat terbaikku, Rudy, Martua, Taufik, Bang Faisal, Fauzi, Teguh, Ina, Muti, Rozi, Alfi, Bambang, Rahmuddin, Agung, Sanita, Salman, Bale, Angga, Denny, Iqbal, Kesih, Liza, Azhary, Supenson, semua teman – teman 06 yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

7. Semua abang dan kakak senior serta adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan motivasi kepada penulis.

(4)

Akhir kata penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis pribadi maupun bagi semua yang membutuhkannya dan hanya kepada Allah SWT – lah penulis menyerahkan diri.

Medan, 07 Maret 2010 Penulis

NIM : 060402009

(5)

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 mover untuk menggerakkan rotor motor induksi tersebut. Rotor tersebut dikopelkan ke prime mover 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.

Akibat pertambahan beban yang dilayani oleh generator induksi akan mempengaruhi tegangan dan daya keluaran dari generator tersebut. Sehingga menyebabkan perubahan regulasi tegangan dan efisiensi. Dalam Tugas Akhir ini akan dibahas pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor. Sistem terdiri dari dua kapasitor, yaitu kapasitor shunt dan kapasitor seri. Kapasitor shunt berfungsi untuk eksitasi dan kapasitor yang diserikan di sisi beban berfungsi untuk kompensasi tegangan keluaran. Untuk mendapatkan pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi tersebut, maka dilakukan pengujian terhadap generator induksi. Pengujian ini dapat dilakukan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik.

(6)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Metode Penulisan ... 4

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA II.1 Umum ... 7

II.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa ... 7

II.3 Medan Putar ... 10

II.3.1 Analisis Secara Vektor ... ………12

II.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa ... 13

II.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi ... 15

(7)

II.5.2 Rangkaian Ekivalen Rotor ... ………17

II.6 Aliran Daya Motor Induksi ... 21

II.7 Efisiensi Motor Induksi Tiga Phasa ... 24

II.8 Disain Motor Induksi Tiga Phasa... 25

II.9 Penentuan Parameter Motor Induksi ... 27

II.9.1 Pengujian Tanpa Beban ... 27

II.9.2 Pengujian Tahanan Stator ... 29

II.9.3 Pengujian Rotor Tertahan ... 31

BAB III GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI III.1 Umum ... 34

III.2 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 35

III.3 Proses Pembangkitan Tegangan... 37

III.4 Slip ... 40

III.5 Frekuensi Rotor ... 40

III.6 Aliran Daya Nyata Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 41

III.7 Efisiensi ... 43

III.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Arus Eksitasi ... 43

III.9 Pembebanan Dengan Faktor Kerja Satu ... 44

III.10 Proses Pengendalian Tegangan ... 46

III.11 Kapasitor ... 48

III.11.1 Kapasitor Hubungan Delta ( ∆ ) ... 48

(8)

III.11.3 Pemasangan Kapasitor ... 49

III.12 Generator Induksi Penguatan Sendiri Hubungan Short Shunt ... 50

III.13 Persamaan Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Hubungan Short Shunt ... .51

III.14 Syarat – Syarat Motor Induksi Sebagai Generator... 52

III.15 Keuntungan dan Kelemahan Motor Induksi Sebagai Generator ... 53

BAB IV PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI DENGAN KOMPENSASI TEGANGAN MENGGUNAKAN KAPASITOR IV.1 Umum ... 55

IV.2 Peralatan Yang Digunakan... 56

IV.3 Penentuan Besar Nilai Kapasitor ... 57

IV.4 Pengujian Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 59

IV.4.1 Pengujian Pengukuran Tahanan Stator ... 59

IV.4.1.1 Rangkaian Pengujian ... 60

IV.4.1.2 Prosedur Pengujian ... 60

IV.4.1.3 Data Hasil Pengujian ... 61

IV.4.1.4 Analisa Data Pengujian ... 61

IV.4.2 Pengujian Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 63

(9)

IV.4.2.1 Pengujian Beban Nol ... 63

IV.4.2.1.1 Rangkaian Pengujian ... 63

IV.4.2.1.2 Prosedur Pengujian ... 63

IV.4.2.1.3 Data Hasil Pengujian ... 64

IV.4.2.2 Pengujian Berbeban dan Tanpa Beban ... 65

IV.4.2.2.1 Rangkaian Pengujian ... 65

IV.4.2.2.2 Prosedur Pengujian ... 66

IV.4.2.2.3 Data Hasil Pengujian ... 67

IV.4.3 Analisa Data Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 68

IV.4.3.1 Regulasi Tegangan ... 68

IV.4.3.2 Efisiensi ... 70

IV.4.4 Tabel Analisa Data Percoban ... 74

IV.4.5 Kurva Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 75

IV.4.5.1 Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 75

(10)

IV.4.5.2 Kurva Pengaruh Pembebanan Terhadap Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan

Menggunakan Kapasitor ... 76

IV.4.6 Kurva Tegangan Fungsi Arus Eksitasi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 77

BAB V PENUTUP V.1 Kesimpulan ... 78

V.2 Saran... 79

DAFTAR PUSTAKA ... 81

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Penampang Rotor dan Stator Motor Induksi ... 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(a) Tipikal Rotor Sangkar ... 9

Gambar 2.3(b) Bagian – Bagian Rotor Sangkar ... 9

Gambar 2.4(a) Rotor Belitan ... 10

Gambar 2.4(b) Motor Induksi Rotor Belitan ... 10

Gambar 2.5(a) Diagram Phasor Fluksi Tiga Phasa ... 11

Gambar 2.5(b) Arus Tiga Phasa Setimbang ... 11

Gambar 2.6 Medan Putar Pada Motor Induksi Tiga Phasa ... 11

Gambar 2.7 Arah Fluks Yang Ditimbulkan Oleh Arus Yang Mengalir Dalam Suatu Lingkar ... 12

Gambar 2.8 Diagram Vektor Untuk Fluks Total Pada Keadaan t1, t2, t3, t4 ... 13

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Stator Motor Induksi ... 15

Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Pada Rotor Motor Induksi ... 19

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa ... 19

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Dilihat Dari Sisi Stator Motor Induksi ... 20

Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Dilihat Dari Sisi Stator Motor Induksi ... 20

Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Lain Dari Motor Induksi ... 21

(12)

Gambar 2.16 Efisiensi Pada Motor Induksi ... 25

Gambar 2.17 Karakteristik Torsi – Kecepatan Motor Induksi Pada Berbagai Disain ... 27

Gambar 2.18 Rangkaian Pengujian Tanpa Beban Motor Induksi ... 28

Gambar 2.19 Rangkaian Pengujian Tahanan Stator Arus Searah Motor Induksi ... 29

Gambar 2.20 Rangkaian Rotor Ditahan Motor Induksi ... 31

Gambar 3.1 Prinsip Kerja Generator Induksi Pengutan Sendiri ... 35

Gambar 3.2 Karakteristik Torsi – Kecepatan Mesin Induksi ... 36

Gambar 3.3 Rangkaian Proeses Pembangkitan Tegangan ... 37

Gambar 3.4 Rangkaian Ekivalen Perfasa Generator Induksi ... 37

Gambar 3.5 Proses Pembangkitan Tegangan ... 39

Gambar 3.6 Tegangan Fungsi Kapasitor Eksitasi ... 39

Gambar 3.7 Diagram Aliran Daya Nyata ... 42

Gambar 3.8 Diagram Vektor Tegangan Generator Induksi ... 44

Gambar 3.9 Tegangan Fungsi Arus Eksitasi Dengan Faktor Kerja Satu ... 45

Gambar 3.10 Kurva Magnetisasi Dan Proses Pengendalian Tegangan ... 46

Gambar 3.11 Kapasitor Terhubung Delta ... 48

Gambar 3.12 Kapasitor Terhubung Bintang ... 49

Gambar 3.13 Rangkaian Generator Induksi Penguatan Sendiri Hubungan Short– Shunt ... 50

Gambar 3.14 Rangkaian Ekivalen Per Phasa Generator Induksi Hubungan Short Shunt ... 51

(13)

Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Dengan Suplai DC ... 60 Gambar 4.2 Rangkaian Pengujian Beban Nol Generator Induksi Penguatan

Sendiri ... 63 Gambar 4.3 Rangkaian Pengujian Berbeban Generator Induksi Penguatan

Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 66 Gambar 4.4 Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan Pada

Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi

Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 75 Gambar 4.5 Pengaruh Pembebanan Terhadap Efisiensi Pada Generator

Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan

Menggunakan Kapasitor ... 76 Gambar 4.6 Kurva Tegangan Fungsi Arus Eksitasi Pada Generator Induksi

Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Standar Besarnya Reaktansi Berbagai Jenis Desain Rotor ... 33 Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Tahanan Stator DC ... 61 Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian Beban Nol Generator Induksi Penguatan

Sendiri ... 65 Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Berbeban Generator Induksi Penguatan Sendiri

Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 68 Tabel 4.4 Data Hasil Pengujian Tanpa Beban Generator Induksi Penguatan

Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor ... 68 Tabel 4.5 Hasil Analisa Data Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi

Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri

(15)

ABSTRAK

(16)

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Namun, sedikit sekali generator induksi digunakan. 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 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.

(17)

Konfigurasi rangkaian generator induksi penguatan sendiri yang lain adalah dengan kompensasi tegangan keluaran. Kompensasi tegangan keluaran didapat dari pemasangan kapasitor yang dihubungkan secara seri di sisi beban yang analisisnya diteliti menggunakan rangkaian ekivalen perfasa dengan metode impedansi loop.

Perubahan beban dapat terjadi sewaktu-waktu yang menyebabkan arus beban berubah. Sehingga beban yang berubah-ubah tersebut akan mempengaruhi regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi. Untuk itu dalam tugas akhir ini, penulis akan membahas mengenai pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor.

I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

Tugas Akhir ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor.

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.

(18)

I.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. Membahas pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor.

4. Hanya menganalisa hubungan short shunt untuk generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor.

5. Tidak membahas masalah pengaturan.

6. Tidak membahas gangguan yang terjadi pada generator induksi. 7. Pengujian generator induksi dilakukan pada putaran konstan . 8. Semua parameter mesin diasumsikan tetap.

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

10.Kapasitor eksitasi yang digunakan adalah hubungan Delta ( ∆ ).

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

(19)

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

I.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

I.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.

(20)

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

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

BAB III GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI

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

BAB IV PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI DENGAN

(21)

KOMPENSASI TEGANGAN MENGGUNAKAN 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 pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor.

(22)

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

II.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.

II.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa

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 dilihat pada gambar 2.1.

(23)

Rotor

Stator

Gambar 2.1. Penampang rotor dan stator motor induksi

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.

(24)

(c)

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.

Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). Rotor sangkar terdiri dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot – slot yang terdapat pada permukaan rotor dan tiap – tiap ujungnya dihubung singkat dengan menggunakan shorting rings.

(a) (b)

Gambar 2.3. Rotor sangkar, (a) Tipikal rotor sangkar

(25)

Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan tiga phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga phasa dari rotor ini terhubung Y dan kemudian tiap - tiap ujung dari tiga kawat rotor tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor induksi rotor belitan, rangkaian rotornya dirancang untuk dapat disisipkan dengan tahanan eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam memodifikasi karakteristik torsi – kecepatan dari motor.

(a)

(b)

Gambar 2.4. (a) Rotor belitan

(b) Motor induksi rotor belitan

II.3 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 berupa hubungan bintang atau delta.

Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan 3 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 2.5b. Pada keadaan t1, t2,

(26)

t3, dan t4, fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing – masing adalah seperti gambar 2.6c, d, e, dan f.

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 dihasilakan 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 analisa vektor.

Gambar 2.5. (a) Diagram phasor fluksi tiga phasa

(b) Arus tiga phasa setimbang

(b)Arus tiga phasa setimbang

(27)

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 :

ns =

p f

. 120

ns = kecepatan sinkron ( rpm )

f = frekuensi ( Hz ) p = jumlah kutub

II.3.1 Analisis Secara Vektor

Analisis secara vektor didapatkan atas dasar:

1. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar sesuai dengan perputaran sekrup ( gambar 2.7 ).

Gambar 2.7. 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

(28)

negatif apabila tanda titik ( . ) terletak pada pangkal konduktor tersebut (gambar 2.8 ). Maka diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4, dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8. 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).

II.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

e1 =

dt d

N Φ

(29)

atau e₁ =4,44fN₁Φ( Volt )...(2.2)

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 )...(2.3)

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

m 2 2 444fN Φ

E = , ( Volt )...(2.4)

dimana :

E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt) N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor

Фm = Fluksi maksimum(Wb)

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

100%

s r s − ×

n n n

(30)

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

E₂_s =4,44sfN₂Φ_m( Volt )...(2.6) dimana :

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

f2 = s.f = 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

II.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi II.5.1 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

R Xm

I Im

2 I

1 E

(31)

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 ) Arah positif dapat dilihat pada rangkaian Gambar 2.9.

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 ………... ( 2.7 )

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 :

(32)

I2S =

I_rotor

………. ( 2.8 )

sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip Zrotor dari rotor sebenarnya adalah :

Z2S = =

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

a2 …………( 2.9 )

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

Selanjutnya persamaan ( 2.9 ) dapat dituliskan :

= S S I E 2 2 S

Z₂ = R + ₂ jsX ………...( 2.10 ) ₂

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 ).

II.5.2 Rangkaian Ekivalen Rotor

Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.10) dinyatakan dalam cara yang demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X ₂

didefinisikan sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada frekuensi stator.

(33)

Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E₂_s dan ggl lawan stator E . Bila bukan karena efek kecepatan, ₁

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:

E₂_s = sE ………...…….(2.11) ₁

Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang dihasilkan komponen beban I dari arus stator, dan karenanya, untuk harga ₂

efektif

I2s= I ...(2.12) 2

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

= S S I E 2 2 2 1 I sE ………..(2.13)

Didapat hubungan antara persamaan (2.12) dengan persamaan (2.13), yaitu

= S S I E 2 2 2 1 I sE

= R + ₂ jsX ……...……....(2.14) ₂

Dengan membagi persamaan (2.14) dengan s, maka didapat

2 1 I E = s R₂

+ jX ……….………...……(2.15) ₂

(34)

Dari persamaan (2.10) , (2.11) dan (2.15) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor sebagai berikut :

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

Gambar 2.10. Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi.

s R₂ = s R₂

+ R - ₂ R 2

s R₂

= R + ₂ ₂(1−1)

R ………...(2.16)

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.

V

1 R 1 X 1 I c

R X_m

I

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

(35)

Untuk mempernudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada gambar 2.11 diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan dapat digambarkan sebagai berikut.

1 V

R X1

c R m X ' 2 X 1 E 1

I I0

c I m I 2 ' I s R₂'

Gambar 2.12. Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi

Atau seperti gambar berikut :

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

Gambar 2.13. Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi

Dimana:

2 '

X = 2

X a

2 '

R = 2

R a

(36)

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 Rc

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

1 V

R X₁

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

I I0

2 ' I

Gambar 2.14. Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi

II.6 Aliran 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 V I

(37)

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 ) ………..( 2.18 )

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

 rugi – rugi tembaga stator ( Pts )

Pts = 3. I12. R1 ( Watt ) ……….( 2.19 )  rugi – rugi tembaga rotor ( Ptr )

Ptr = 3. I22. R2 ( Watt ) ………..( 2.20 ) Daya pada celah udara ( Pcu ) dapat dirumuskan dengan :

Pcu = Pin – Pts – Pi ( Watt ) ………( 2.21 )

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 :

(38)

Pcu = 3. I22.

R₂

( Watt ) ………..( 2.22 )

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 ) ………( 2.23 )

Pmek = 3. I22.

R₂

- 3. I22. R2

Pmek = 3. I22. R2. (

s s

− 1

)

Pmek = Ptr x (

s s

− 1

) ( Watt ) ………( 2.24 )

Dari persamaan ( 2.20 ) dan ( 2.22 ) dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga dengan daya pada celah udara :

Ptr = s. Pcu ( Watt ) ………( 2.25 )

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 ) ………( 2.26 )

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

(39)

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

Pcu : Ptr : Pmek = 1 : s : 1 – s.

Gambar 2.15 menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga phasa :

Energi listrik konversi Energi mekanik

Gambar 2.15. Diagram aliran daya motor induksi

II.7 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%. ……….( 2.28 )

Ploss = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb ……….( 2.29 ) Pin = 3 . V1. I1. Cos φ1 ………( 2.30 )

(40)

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 2.16. Efisiensi pada motor induksi

dimana :

Pcu = daya yang diinputkan ke rotor ( Watt ) Ptr = rugi – rugi tembaga rotor ( Watt )

Pmek = daya mekanik dalam bentuk putaran ( 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.

II.8 Disain Motor Induksi Tiga Phasa

Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke dalam empat kelas yakni disain A,B,C, dan D.

1. Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai ratingnya) dan arus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan

(41)

yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu menangani beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat. Slip < = 5% 2. Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran. Motor

ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A, akan tetapi motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked rotor cukup baik untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam aplikasi industri. Slip motor ini < =5 %. Effisiensi dan faktor dayanya pada saat berbeban penuh tinggi sehingga disain ini merupakan yang paling populer. Aplikasinya dapat dijumpai pada pompa, kipas angin/ fan, dan peralatan – peralatan mesin.

3. Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (200 % dari nilai ratingnya) dari dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban – beban seperti konveyor, mesin penghancur (crusher ), komperessor,dll. Operasi dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah besar. Arus startnya rendah, slipnya < = 5 %

4. Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan beban penuhnya rendah. Memiliki nilai slip yang tinggi ( 5 -13 % ), sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya : elevator, crane, dan ekstraktor.

(42)

Karakteristik torsi – kecepatannya dapat dilihat pada gambar 2.17.

Gambar 2.17. Karakteristik torsi-kecepatan motor induksi pada berbagai disain

II.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 lilitan stator.

II.9.1 Pengujian Tanpa Beban

Pengujian ini untuk mengukur rugi – rugi putaran dan arus magnetisasi. Pada keadaan tanpa beban ( beban nol ), beban yang dipikul hanyalah rugi – rugi angin dan gesekan. Adapun rangkaian pengujian tanpa beban adalah sebagai berikut :

(43)

P

A

V

Motor

I

Gambar 2.18. Rangkaian pengujian tanpa beban motor induksi

Dari data instrumen ukur dapat ditentukan parameter – parameter ( per fasa ) :

Zbn =

bn bn

I V

≈X1 + Xm ………..( 2.31 )

Reaktansi magnetisasi ( Xm ) dapat dicari jika reaktansi primer X1 diketahui.

Ibn ( jala – jala ) = 3

T S

R I I

I + +

………...( 2.32 )

Slip yang terjadi umumnya sangat kecil ( ≤ 0,001 ), sehingga : R2

s s)

1 ( −

> > R2 dan juga R2

s s)

1 ( −

> > X2'

maka I2 pada percobaan ini diabaikan.

s s)

1 ( −

+ jX2 ≈ R2

s s)

1 ( −

Rugi rotor ini dianggap sebagai rugi angin dan gesekan, sedangkan rugi tembaga stator dapat dicari sebagai :

Pts = I12 . R1………...( 2.33 )

di mana I1 di sini sama dengan Ibn ( fasa ) dan R1 dicari lewat pengujian tahanan stator arus searah.

(44)

Dan persamaan daya :

Pin( bn ) = Pts + Prot ………..( 2.34 ) Prot = Pi + Pa & g + rugi lain – lain ………..( 2.35 ) di mana :

Prot = daya yang hilang akibat adanya putaran ( Watt ). Pi = rugi inti ( Watt ).

Pa & g = rugi angin dan gesekan ( Watt )

II.9.2 Pengujian Tahanan Stator

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 2.19. Rangkaian pengujian tahanan stator arus searah motor induksi

Pada percobaan ini, jika kumparan stator terhubung bintang (gambar 2.19.a), maka arus akan mengalir melewati dua kumparan dengan resistansi sebesar 2R1, sehingga :

AS AS

I V

(45)

atau

R1 =

AS AS

I V

2 ………( 2.36 )

Sedangkan jika terhubung segitiga (gambar 2.19.b), maka arus akan mengalir melewati ketiga kumparan tersebut yang besarnya secara ekivalen terlukis pada gambar berikut, dengan resistansi total :

1 R

1 R 1 R

Sehingga :

AS AS

I V

= 3

2 . Rt

atau

R1 =

AS AS

I V

2 3

………( 2.37 )

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.

(46)

II.9.3 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 :

V A

Motor

fr = fj = f uji

Rotor Ditahan

Gambar 2.20. 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 + +

(47)

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

………..( 2.39 )

di mana :

ZRT = RRT + jXRT' ………( 2.40 ) RRT = R1 + R2 ………...( 2.41 ) XRT' = X1' + X2'……….( 2.42 ) 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 min

. XRT' = X1 + X2 ………( 2.43 )

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

(48)

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 ).

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

(49)

BAB III

GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI

III.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 ).

(50)

III.2 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 pengisian muatan ke kapasitor ( C ) yang dipasang parallel dengan stator yang tujuannya 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

(51)

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.

(52)

III.3 Proses Pembangkitan Tegangan

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 3.3 memperlihatkan rangkaian proses pembangkitan tegangan generator induksi.

E2 E1

C eksitasi beban

rotor stator

Gambar 3.3. Rangkaian proses pembangkitan tegangan

Dari gambar 3.3 dapat dibuat rangkaian ekivalen per phasa generator induksi seperti gambar 3.4.

s R

R X

Ic E1

V 2

1 1

I_L

(53)

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 yang akan menyebabkan fluksi bertambah dan tegangan yang dibangkitkan juga akan meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik keseimbangan E = VC seperti ditunjukkan dalam gambar 3.5. Dalam kondisi ini tidak terjadi lagi penambahan fluksi ataupun tegangan yang dibangkitkan.

(54)

Gambar 3.5. Proses pembangkitan tegangan.

(55)

III.4 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.

Slip ( s ) =

s r s

n n n −

x 100 %...( 3.1 )

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 ).

III.5 Frekuensi Rotor

Pada waktu start motor dimana s = 100 % maka frekuensi arus pada rotor sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar,

(56)

maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f’ yaitu,

ns – nr =

p f '

120

, diketahui bahwa ns =

p f

120

……….. ( 3.2 )

Dengan membagikan dengan salah satu, maka didapatkan :

f f '

s r s

n n n −

= s ……… ( 3.3 )

Maka f’ = sf ( Hz ) ……….... ( 3.4 )

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.

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.

III.6 Aliran Daya Nyata Generator Induksi Penguatan Sendiri

Diagram aliran daya nyata dan rugi-rugi daya generator induksi penguatan sendiri ditunjukkan dengan gambar 3.7.

(57)

Gambar 3.7. 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………...(3.5) Pc = P1 - Pcu2………..………….(3.6) P2 = Pc – Pcu1 – Pi………..……….(3.7) 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

(58)

Pcu2 = rugi-rugi tembaga rotor

III.7 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.

III.8 Pengaruh Pembebanan Terhadap Arus Eksitasi

Dari gambar rangkaian ekivalen gambar 3.4, hubungan antara tegangan keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada persamaan berikut :

V = E1 – I1 ( R1 + jX1 ) ………( 3.8 ) I1 = IC + IL ………( 3.9 ) dimana,

V = tegangan keluaran generator ( Volt )

(59)

I1 = arus stator ( Ampere ) IL = arus beban ( Ampere )

Dari persamaan ( 3.8 ) diatas dapat digambarkan diagram vektor tegangan generator induksi, seperti gambar 3.8.

Gambar 3.8. Diagram vektor tegangan generator induksi

Tegangan keluaran generator tergantung kepada antara lain komponen magnetisasi arus stator I1. Tanpa adanya beban yang mampu memberikan arus maknetisasi ini, tegangan keluaran generator ini akan hilang. Dalam generator induksi penguatan sendiri, beban yang dimaksudkan dipenuhi dengan pemasangan kapasitor eksitasi pada terminal generator.

III.9 Pembebanan Dengan Faktor Kerja Satu

Pembebanan dengan faktor kerja satu artinya generator hanya melayani beban yang bersifat resistif ( R ). Beban yang bersifat resistif ini hanya menarik

I

I'

E'

= E

I

IRC

I2 R2

E2S

jI2X2S

-I

-jI1 X1

V

(60)

arus kerja. Kenaikkan arus beban akan memperbesar rugi tegangan di tahanan stator dan memperbesar kebocoron fluksi di reaktansi stator, sehingga tegangan keluaran akan turun ( persamaan 3.8 ).

Penurunan tegangan keluaran akan menyebabkan arus eksitasi ikut menurun, seperti diperlihatkan pada persamaan (3.10).

IC =

C X

………..( 3. 10 )

Proses penurunan tegangan keluaran berlangsung sampai tercapainya titik keseimbangan yang baru seperti ditunjukkan dengan Gambar 3.9.

Gambar 3.9. Tegangan fungsi arus eksitasi dengan faktor kerja satu

Titik A merupakan titik kerja keadaan beban nol dengan tegangan sebesar V1 dan arus eksitasi sebesar OA1. Saat generator induksi dibebani, titik kerja turun menjadi titik B dengan tegangan keluaran generator sebesar V2 dan arus eksitasi menjadi sebesar OC1 tersebut yang digunakan untuk eksitasi hanya sebesar OB1,

(61)

sedangkan sisanya sebesar B1C1 digunakan untuk mengatasi kebocoron fluksi di stator.

III.10 Proses Pengendalian Tegangan

Pada keadaan berbeban atau tanpa beban tegangan terminal generator induksi penguatan sendiri dapat dinaikkan atau diturunkan dengan cara merubah besar tegangan induksi pada rangkaian maknetik Xm sedangkan penambahan / penurunan tegangan induksi hanya dapat terjadi bila arus yang mengalir pada Xm ditambah atau dikurangi.

Berdasarkan karakteristik maknetisasi semakin besar arus maknetisasi, maka Xm akan semakin kecil. Jadi perubahan tegangan induksi mengakibatkan perubahan arus maknetisasi, adalah identik dengan penurunan Xm. Dari gambar 3.10 dapat dilihat bahwa penambahan tegangan digambarkan dengan semakin kecilnya sudut kemiringan garis linearnya yang berpotongan dengan kurva.

(62)

Sama seperti mesin – mesin listrik lainnya, Generator induksi pun mempunyai batasan arus maknetisasi yang dapat menyuplai nilai Xm minimal. Sebab bila Xm masih diperkecil dibawah harga minimal yang diizinkan, maka arus yang mengalir pada rangkaian maknetis menjadi terlalu besar sehingga akan dapat merusak mesin.

Dari sini dapat dimengerti bahwa tegangan induksi yang dapat dihasilkan juga mempunyai batas. Besar tegangan induksi maksimum yang dapat dihasilkan tergantung pada desain mesin induksi yang bersangkutan.

Pada pengaturan tegangan generator induksi, yang dilakukan adalah menambah atau mengurangi nilai kapasitansi sehingga arus yang mengalir pada rangkaian maknetiknya mengalami kenaikan atau penurunan sehingga tegangan induksi yang diinginkan dapat terpenuhi.

Perubahan nilai kecepatan akan menyebabkan perubahan nilai Xm, hal ini disebabkan oleh arus yang mengalir pada kapasitor adalah arus reaktif dan dilihat dari rangkaian ekivalen perubahan arus reaktif yang pada rangkaian maknetis Xm. Perubahan arus yang mengalir pada Xm akan menyebabkan perubahan nilai Xm itu sendiri. Jadi hasil akhir dari perubahan nilai kapasitor adalah perubahan posisi titik operasi generator induksi pada kurva magnetisasi.

(63)

III.11 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.

∆Q = V.I ……….( 3.11 ) = V. c X V = Xc V2

………, Xc =

π 2

∆Q = V2.2π. f. C ………( 3.12 )

C =

f V Q π 2 2

∆ _{……….( 3.13 )}

III.11.1 Kapasitor Hubungan Delta ( ∆ )

•

∆ c

V

∆ C

I

(64)

Apabila dihubungkan dengan hubungan delta ( ∆ ) maka besar kapasitansi kapasitor adalah:

C_∆ perphasa =

f V

π 2

3 2

∆ _{( Farad )…………( 3.14 )}

III.11.2 Kapasitor Hubungan Wye ( Y )

• V

I

Gambar 3.12. Kapasitor terhubung bintang

Apabila dihubungkan dengan hubungan bintang ( Υ ) maka besar kapasitansi kapasitor adalah:

CY perphasa = f V

π 2 2

∆ _{( Farad )…………( 3.15 )}

III.11.3 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 :

(65)

3 3 Y Y C C C C I I dan V

V = =

∆

∆ …………( 3.16 )

Y Y Y Y C C C Y C C C C X I V Ic V I V

X 3 3

3 3 = = = = ∆ ∆

∆ ……( 3.17 )

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

III.12 Generator Induksi Penguatan Sendiri Hubungan Short Shunt

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

Gambar 3.13. Rangkaian generator induksi penguatan sendiri hubungan short –

(66)

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

R

_R

jX

-jX

jX

I

E

V

s

Gambar 3.14. Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi hubungan short

shunt

III.13 Persamaan Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Hubungan Short Shunt

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

……...( 3.18 )

………...( 3.19 )

(67)

Daya Output Perfasa ( Pout ) = IL2 RL ………( 3.21 )

VR ( % ) =

FL L F NL

V V

V −

x 100 % ………( 3.22 )

III.14 Syarat – Syarat Motor Induksi Sebagai Generator

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

………...( 3.23 )

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………..( 3.24 )

dengan : s : slip

ns : Kecepatan medan putar, rpm nr : Kecepatan putar rotor, rpm

(68)

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.

III.15 Keuntungan dan Kelemahan Motor Induksi Sebagai Generator

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.

4. Tidak membutuhkan penguatan dc

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.

(69)

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.

(70)

BAB IV

PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI

TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR INDUKSI

PENGUATAN SENDIRI DENGAN KOMPENSASI

TEGANGAN MENGGUNAKAN KAPASITOR

IV.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 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

(71)

dan dengan menggunakan saklar sehingga besar beban dapat diubah-ubah sesuai dengan tujuan penelitian.

IV.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

(72)

3. Kapasitor sebagai sumber eksitasi 3 buah, masing - masing 20 μF 4. Kapasitor untuk kompensasi tegangan keluaran 3 buah, masing –

masing 20 μF 5. Kabel penghubung

6. Beban : 12 buah lampu pijar masing-masing 40 Watt 7. Power Supply AC 3 phasa ( PTAC )

8. Power Supply DC ( PTDC ) 9. Pengaman MCB

10. Alat ukur :

− amperemeter − frekuensimeter − voltmeter − wattmeter − tachometer

IV.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

(73)

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

(74)

Kapasitansi per phasa paling sedikit seharusnya

C =

C fX

π 2

033 , 322 50 2

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. Jika kapasitor yang dipasang lebih kecil dari kapasitor minimum yang diperlukan, maka proses pembangkitan tegangan tidak akan berhasil. Jadi kapasitor per - phasa terhubung ∆ yang dibutuhkan generator untuk dapat membangkitkan ggl adalah sebesar 20 μF. Untuk kapasitor yang terhubung secara Y, kapasitor per - phasa yang dibutuhkan tiga kali kapasitor yang terhubung secara ∆, yaitu 60 μF.

IV.4 Pengujian Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri

IV.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 :

(75)

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 )

IV.4.1.1 Rangkaian Pengujian

V U

W +

-VDC Variabel

Gambar – 4.1

Gambar 4.1. Rangkaian percobaan dengan suplai DC

IV.4.1.2 Prosedur Pengujian

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

(76)

c. Tegangan DC suplai dinaikkan sampai besar tegangan adalah 1 volt

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

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

IV.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

(Ω)

Rdcrata2

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

10,97 12,067

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

11,32 12,452

IV.4.1.4 Analisa Data Pengujian

Untuk I = 0,09 Ampere Contoh perhitungan data

(1)

BAB V

PENUTUP

V.1 Kesimpulan

1. Untuk mengoperasikan mesin induksi sebagai generator, maka diperlukan daya mekanis untuk memutar rotornya searah dengan medan putar melebihi kecepatan sinkronnya.

2. Proses perubahan motor induksi menjadi generator induksi membutuhkan daya reaktif atau daya magnetisasi untuk membangkitkan tegangan pada terminal keluarannya. Disini yang berfungsi sebagai penyedia daya reaktif adalah kapasitor yang besarnya disesuaikan dengan kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan. Berdasarkan hasil perhitungan, untuk motor induksi yang digunakan, kapasitor yang dibutuhkan adalah 9,88 µF, sedangkan dalam pengujian dilakukan dengan nilai kapasitor 20 µF.

3. Pada pengujian motor induksi sebagai generator dengan beban resistif diketahui bahwa bila putaran dijaga konstan, maka frekuensi dan slip yang dihasilkan juga konstan.

4. Regulasi tegangan tergantung pada perubahan beban. Dilihat dari analisa data hasil pengujian dengan pembebanan dari 150 watt, 250 watt, 300 watt, dan 310 watt pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor, ternyata nilai regulasi tegangan juga semakin naik yaitu 6,052%, 9,428%, 11,403%, dan

(2)

12,462%, ini artinya pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangannya tidak baik, karena nilai regulasi yang baik adalah cenderung rendah.

5. Efisiensi generator induksi tergantung pada besarnya rugi – rugi. Rugi-rugi gesekan dan angin Pg+a, rugi-rugi inti stator Pi dianggap konstan dan

disebut rugi-rugi beban nol. Sedangkan rugi-rugi tembaga stator dan rotor tidak tetap dan besarnya sangat tergantung kepada arus beban. Dilihat dari analisa data hasil pengujian dengan pembebanan dari 150 watt, 250 watt, 300 watt, dan 310 watt pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor, ternyata nilai efisiensi juga semakin naik yaitu 37,616%, 52,629%, 56,722%, dan 60,203%. Ini artinya pengaruh pembebanan terhadap efisiensinya semakin baik, karena nilai efisiensi yang baik adalah cenderung naik.

6. Penurunan tegangan beban generator induksi penguatan sendiri yang terjadi akibat kenaikan arus beban dapat dikompensasi dengan penambahan kapasitor seri di sisi beban.

7. Penambahan kapasitor seri menyebabkan tegangan pada terminal kapasitor eksitasi akan bertambah besar, akibatnya arus eksitasi akan bertambah besar dan tegangan yang dihasilkan bertambah besar.

V.2 Saran

1. Dalam penelitian selanjutnya disarankan menganalisis generator induksi penguatan sendiri hubungan long shunt.

(3)

2. Untuk penyempurnaan penelitian ini sebaiknya dilakukan penelitian pengaruh pembebanan pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor untuk jenis beban yang sifatnya berbeda.

3. Dalam penelitian ini kompensasi tegangan diperoleh dengan penambahan kapasitor seri, untuk penelitian berikutnya disarankan untuk meneliti kompensasi tegangan dengan menggunakan induktor.

(4)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Boldea, Ion, “ Variabel Speed Generator ”, Taylor & Francis Group, Ney York, 2006.

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

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

[4] 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.

[5] Theraja, B.L. & Theraja, A.K., “A Text Book of Electrical Technology”, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001.

[6] Wijaya, Mochtar,”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Penerbit Djambatan, Jakarta, 2001.

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

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

[9] Ahyanuardi, 1 Mei 2010, Analisis Generator Induksi Penguatan Sendiri

Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor,

[10] Ariawan, Putu Rusdi, 6 Juli 2010, Generator,

http://www.scribd.com/doc/33689894/Generator.

[11] M, Salama, 1 Mei 2010, Analisa Dan Simulasi Pengendali Tegangan

Dengan Kapasitor Pada Generator Induksi Terisolir,

(5)

LAMPIRAN

DATA HASIL PENGUJIAN LABORATORIUM KONVERSI FT – USU

A. Pengujian Pengukuran Tahanan Stator

Rdc = I V

(Ω)

Phasa

V (volt)

I (A)

R

(Ω)

Rdcrata2

R

_ac

(Ω)

U-V 1 2 3 0.09 0,18 0,27 V-W 1 2 3 0,09 0,18 0,28 U-W 1 2 3 0,09 0,17 0,27

B. Pengujian Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor

1. Pengujian Beban Nol

No

V ( Volt )

nr (rpm)

f ( Hz )

ns (rpm)

slip

(6)

2. Pengujian Berbeban Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor

NO

V

(Volt)

Ic (A) IL (A)

f (Hz)

ns (rpm) nr(rpm)

P (W)

slip

1 380 3,45 0,23 46 1380 1400 150 -0,0144

2 350 3,05 0,45 46 1380 1400 250 -0,0144

3 342 2,89 0,64 46 1380 1400 300 -0,0144

4 327 2,55 0,79 46 1380 1400 310 -0,0144

3. Pengujian Tanpa Beban Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan Kapasitor

NO V (Volt) f ( Hz )

_ns(rpm)

_nr(rpm)

_slip

1 403 47 1410 1450 -0,0283

2 383 47 1410 1450 -0,0283

3 381 47 1410 1450 -0,0283

4 379 47 1410 1450 -0,0283

Diketahui Asisten, Praktikan,

( Muhammad Iqbal ) ( Nasir Andi Hakim Nasution

06 0402 009