Kelebihan dan Kekurangan Generator Induksi Metode Pengaturan Tegangan

13  Generator induksi berpenguatan sendiri Self Excitation Induction Generator SEIG Pada generator induksi berpenguatan sendiri, proses eksitasinya didapatkan dari kapasitor bank yang dihubungkan paralel pada terminal keluarannnya. Skema dari generator induksi berpenguatan sendiri dapat dilihat pada Gambar 2.7. Gambar 2.7 Generator induksi berpenguatan sendiri Dari gambar 2.7 diperlihatkan bahwa kapasitor tiga fasa yang terhubung delta dihubungkan pada terminal keluaran dari generator induksi. Kapasitor ini akan menyalurkan daya reaktif pada generator untuk proses eksitasi. Proses eksitasi yang terhubung pada terminalnya, mesin induksi rotor sangkar dan mesin induksi rotor belitan dapat digunakan untuk generator induksi berpenguatan sendiri. Generator induksi jenis ini dapat beroperasi sendiri tanpa jaringan listrik dan dapat juga beroperasi bersama sistem jaringan listri. Hal ini membuat generator jenis ini lebih fleksibel untuk digunakan. Keuntungan lain dari generator ini ialah harga yang murah, perawatannya yang mudah, desainnya yang sederhana dan proses instalasinya yang tidak rumit. Namun generator jenis ini memiliki kekurangan berupa tegangan keluaran yang tidak stabil pada putaran yang tidak tetap dan pada beban yang berubah-ubah khususnya pada beban induktif. Untuk itu diperlukan adanya pengaturan tegangan untuk menjaga stabilitas dari tegangan keluaran dari generator jenis ini.

2.4. Kelebihan dan Kekurangan Generator Induksi

Kelebihan dari generator induksi ialah sebagai berikut: Universitas Sumatera Utara 14 a. Ketersediaan Motor induksi dapat ditemukan dengan mudah di pasaran dibandingkan dengan generator sinkron. Motor induksi inilah digunakan sebagai generator induksi dan dalam beberapa kasus, mesin induksi bekas dapat digunakan kembali untuk mengurangi biaya. b. Harga Generator induksi yang dilengkapi dengan kapasitor eksitasinya jauh lebih murah dibandingkan dengan generator sinkron. Khususnya untuk rating daya yang kecil. Contohnya 10 kW generator induksi, harganya hanya setengah dari generator sinkron c. Ketahanan Mesin induksi sangat kuat dan konstruksinya yang simpe. Tidak memerlukan dioda atau slip ring pada rotornya. Kokoh sehingga dapat menahan peristiwa overspeed. Mesin induksi sendiri dapat beroperasi secara kontinu untuk keadaan sesulit apapun. Kekurangan dari generator induksi ialah sebagai berikut: a. Rating tegangan Mesin induksi tidak selalu tersedia dengan tegangan yang diinginkan untuk digunakan sebagai generator. Modifikasi pada koneksi belitannya atau menggulung ulang belitannya diperlukan b. Diperlukan perhitungan Generator dapat langsung digunakan, sementara generator induksi memerlukan kapasitor eksitasi agar dapat beroperasi dan hal itu membutuhkan perhitungan terlebih dahulu untuk dapat menemukan nilai kapasitansi kapasitor eksitasi yang tepat

2.5. Generator Induksi Berpenguatan Sendiri

Generator induksi berpenguatan sendiri menggunakan kapasitor bank sebagai penyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk membangkitkan tegangan. Generator induksi berpenguatan sendiri mempunyai cara kerja yang Universitas Sumatera Utara 15 hampir sama seperti cara kerja mesin induksi yang beroperasi pada daerah saturasi hanya saja terdapat kapasitor pada terminal.

2.5.1. Prinsip Kerja

Prinsip kerja generator induksi berpenguatan sendiri dapat dijelaskan dengan melihat Gambar 2.7. Seperti yang terlihat pada gambar tersebut, generator induksi menggunakan kapasitor bank menyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator. Kapasitansi dari kapasitor harus sesuai dengan daya reaktif yang dibutuhkan. Besarnya daya reaktif yang dibutuhkan generator dapat ditinjau dari besar arus magnetisasi untuk proses eksitasi. Arus magnetisasi yang dibutuhkan dapat dicari dengan mengoperasi mesin induksi sebagai motor induksi pada keadaan tanpa beban dan mengukur tegangan statornya sebagai fungsi tegangan terminal generator. Penentuan nilai kapasitansi minimum yang dibutuhkan generator akan dijelaskan pada bab berikutnya. Kurva magnetisasi mesin induksi ditunjukkan pada gambar 2.8. Kurva magnetisasinya ini menrupakan plot tegangan terminal generator induksi sebagai fungsi arus magnetisasi. Untuk mencapai level tegangan yang diinginkan, maka kapasitor sebagai penyuplai daya reaktifnya harus dapat menyuplai arus magnetisasi yang dibutuhkan pada level tegangan tersebut. Gambar 2.8 Kurva magnetisasi mesin induksi Universitas Sumatera Utara 16 Gambar 2.9 Kurva tegangan vs arus pada kapasitor bank Arus reaktif yang dihasilkan oleh sebuah kapasitor berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan padanya, Untuk itu semua kemungkinan kombinasi tegangan dan arus yang melalui kapasitor berupa garis lurus. Jadi kurva tegangan vs arus dari sebuah kapasitor dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.9. Semakin besar kapasitansinya, maka semakin besar pula arus kapasitifnya pada tegangan yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa leading sebesar 90 . Gambar 2.10 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri Universitas Sumatera Utara 17 Jika sekelompok kapasitor tiga fasa dihubungkan kepada terminal generator induksi, tegangan tanpa beban generator induksi adalah perpotongan kurva magnetisasi generator dengan garis beban kapasitor. Jadi, tegangan keluaran dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan pada Gambar 2.10. Tegangan terminal tanpa beban generator induksi berpenguatan sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva magnetisasi sebagai fungsi tegangan terminal generator Gambar 2.8 dan kurva tegangan-arus kapasitor Gambar 2.9. Perpotongan kedua kurva adalah titik dimana daya reaktif yang dibutuhkan oleh genarator induksi. Dan titik ini juga merupakan besar tegangan yang dibangkitkan oleh generator dalam keadaan tanpa beban. Gambar 2.11 Proses pembangkitan tegangan Proses pembangkitan tegangan dapat dilihat pada Gambar 2.11. Ketika generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan medan yang ada pada rotor akan membentuk ggl induksi awal pada belitan stator. Timbulnya ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif kapasitif sebesar . Arus ini merupakan arus magnetisasi yang menghasilkan fluksi celah udara. Fluksi ini kemudian menambah jumlah fluksi yang sudah ada, sehingga kemudian menghasilkan ggl induksi di stator yang lebih besar lagi yaitu sebesar . Tegangan induksi ini akan memicu kembali kapasitor mengalirkan Universitas Sumatera Utara 18 arus kapasitif yang semakin besar pula yaitu sebesar , yang kemudian akan menambah jumlah fluksi celah udara, sehingga dihasilkan ggl induksi yang lebih besar lagi yaitu . ini kemudian menghasilkan arus , dan kemudian membentuk ggl induksi . Demikian proses ini berjalan terus sampai akhirnya mencapai titik kesetimbangan E = . Namun proses itu dapat terjadi jika pada kumparan medan generator induksi terdapat magnet sisa. Jika tidak terdapat magnet sisa maka generator induksi harus dioperasikan sebagai motor terlebih dahulu. Ketika mesin induksi dioperasikan sebagai motor, maka mesin induksi akan menginduksikan gaya gerak listrik pada rotor. Gaya gerak listrik yang terinduksi pada rotor akan mengalirkan arus pada kumparan medan sehingga terbentuk medan magnet dan akhirnya motor berputar. Prinsip kerja motor induksi tidak dijelaskan secara detail disini. Ketika motor telah beroperasi, maka kecepatan putar rotor akan lebih kecil dari kecepatan sinkronnya. Pada saat kecepatan motor sudah tinggi maka penggerak mula dinyalakan. Ketika penggerak mula dinyalakan, kecepatan penggerak mula harus lebuh besar dari kecepatan sinkronnya. Pada saat itu pula suplai daya yang diberikan untuk mengoperasikan motor dimatikan, dan pada terminal langsung dihubungkan pada beban. Putaran penggerak mula harus searah dengan arah putaran motor induksi. Ketika suplai daya dimatikan, maka kapasitor akan bekerja untuk menyalurkan daya reaktif dan menjaga kecepatan sinkronnya. Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan tegangan yang ditentukan.

2.5.2. Rangkaian Ekivalen

Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri hampir sama dengan rangkaian ekivalen generator tanpa penguatan, hanya saja ada penambahan kapasitor pada sisi statornya. Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri ditunjukkan pada Gambar 2.12. Universitas Sumatera Utara 19 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri Dimana: = Resistansi stator = Reaktansi stator = Resistansi rotor = Reaktansi rotor = Reaktansi magnetisasi = Reaktansi kapasitor eksitasi = Slip = Arus stator = Arus beban = Arus magnetisasi V = Tegangan keluaran Dari rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri Gambar 2.11, hubungan antara tegangan keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada persamaan berikut V = - + j 2.2 Universitas Sumatera Utara 20 = + j 2.3 = + 2.4 Dimana: V = Tegangan keluaran generator Volt = ggl induksi yang dibangkitkan pada sisi stator Volt = ggl yang dibangkitkan pada sisi rotor Volt = Arus stator Ampere

2.6. Kapasitor Eksitasi

Dalam proses eksitasinya generator induksi membutuhkan daya reaktif untuk membangkitkan tegangannya. Jika generator induksi terhubung dengan sistem tenaga listrik maka daya reaktif yang dibutuhkan akan disuplai langsung oleh sistem. Tetapi jika generator induksi tidak terhubung dengan sistem atau bekerja sendiri maka generator induksi membutuhkan sumber daya reaktif untuk menyuplai kebutuhan daya reaktifnya. Untuk itu dipasang kapasitor sebagai penyuplai daya reaktifnya yang dipasang pada terminal generator.

2.6.1. Penggunaan Kapasitor Eksitasi

Kapasitor eksitasi dipasang untuk dapat menyuplai daya reaktif yang diperlukan generator induksi. Kapasitor ini dipasang paralel pada terminal keluaran generator induksi. Eksitasi dibutuhkan untuk dapat membangkitkan tegangan listrik. Dengan adanya eksitasi yang mencukupi, juga akan menambah efesiensi dan faktor daya, regulasi tegangan yang kecil dan akan meningkatkan perfomansi dari generator induksi.

2.6.2. Kapasitansi Minimum

Besarnya kapasitansi dari kapasitor eksitasi sangat berpengaruh pada proses pembangkitan tegangan pada generator induksi. Untuk dapat membangkitkan tegangan, nilai dari kapasitor harus lebih besar dari nilai kapasitansi minumum dari generator induksi untuk proses eksitasinya. Apabila Universitas Sumatera Utara 21 kapasior yang dipasang lebih kecil dari kapasitansi minimumnya maka tegangan tidak dapat dibangkitkan. Cara menentukan kapasitansi minimum dari generator induksi ialah dengan menggunakan karakteristik magnetisasi dari mesin induksi saat beroperasi sebagai motor induksi. Karakteristik magnetisasi ini didapat dengan mengoperasikan motor induksi pada kondisi beban nol. Pada kondisi beban nol, arus yang mengalir pada kapasitor akan sama dengan arus magnetisasi . Tegangan V yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil = 2.5 = 2.6 = 2.7 Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai reaktansi magnetisasi dengan memberikan catu tegangan V kemudian mengukur besar arus magnetisasinya = 2.8 = = 2.9 Subtitusikan persamaan 2.8 ke dalam persamaan 2.9. = = I = V C = 2.10 Persamaan 2.10 ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila kapasitor eksitasi dihubungkan secara bintang atau star. Universitas Sumatera Utara 22 = 2.11 Pada sistem tiga fasa, kapasitor eksitasi dapat dihubungkan secara bintang atau secara delta. Hubungan bintang tidak dianjurkan untuk dihubungkan dengan generator karena hubungan bintang memiliki titik netral yang akan meningkatkan rugi-rugi. Gambar 2.13 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut: = 2.12 = 2.13 = 3 2.14 Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut C = 2.15 = 2.16 Subtitusikan persamaan 2.16 pada persamaan 2.14 = 3 Universitas Sumatera Utara 23 = 3 = 2.17 Berdasarkan persamaan-persamaan diatas, kapasitor eksitasi akan lebih baik jika menggunakan hubungan delta. Hal itu dapat dilihat pada persamaan 2.17, jika dihubungkan delta besar kapasitansinya sebesar sepertiga dari besar kapasitansi jika dihubungkan bintang. Dan berdasarkan persamaan 2.12, kapasitor eksitasi apabila dihubungkan dengan hubungan delta maka kapasitor eksitasi dapat beroperasi pada tegangan yang lebih besar.

2.7. Metode Pengaturan Tegangan

Generator induksi berpenguatan sendiri memiliki kelemahan berupa tegangan keluarannya yang tidak stabil. Pada generator induksi berpenguatan sendiri tegangan keluarannya dipengaruhi oleh kecepatan penggerak mula memutar generator, beban dan kapasitansi dari kapasitor yang dipasang pada terminalnya. Pada kondisi generator induksi beroperasi pada kecepatan putar dari penggerak mula yang tidak tetap, menyebabkan tegangan keluaran yang dibangkitkan juga tidak tetap. Begitu juga dengan perubahan beban yang bervariasi menyebabkan naik turunnya tegangan, apalagi jika dihubungkan dengan beban induktif, akan mengalami penurunan tegangan yang drastis. Hal itu akan mengurangi kualitas daya yang dihasilkan generator induksi. Untuk itu generator induksi harus dibantu dengan pengaturan daya reaktif untuk mengatur tegangan keluarannya. Penggunaan kapasitor bank saja tidak cukup untuk dapat mengatur tegangan keluarannya. Karena besar kapasitansi yang tetap maka penyaluran daya reaktif dari kapasitor bank juga tetap. Kapasitansi dari kapasitor bank hanya menyalurkan daya reaktif untuk dapat membangkitkan tegangan generator pada saat keadaan tanpa beban. Apabila terjadi perubahan kecepatan putar atau perubahan beban, maka tegangan keluarannya juga ikut berubah. Kekurangan yang terdapat pada kapasitor bank, kemudian dikembangkan beberapa metoode pengaturan tegangan yang dapat mengatur besarnya daya Universitas Sumatera Utara 24 reaktif yang dibutuhkan baik pada kondisi normal, perubahan kecepatan putar prenggerak mula, dan perubahan beban. Berikut beberapa metode untuk mengatur tegangan generator induksi  Pengaturan tap transformator Tap transformator menggunakan prinsip mengubah rasio dari transformator. Rasio dapat diubah dengan cara mengubah jumlah lilitan pada kumparan transformator. Dengan cara itu tegangan pada sisi sekunder dapat diatur sedemikian rupa sehingga tegangan keluarannya sesuai dengaan tegangan yang diinginkan.  Kondensor sinkron Kondensor sinkron ialah motor sinkron yang beroperasi pada keadaan tanpa beban. Pada keadan ini motor sinkron dapat menimbulkan daya reaktif dan bekerja seperti kapasitor. Daya reaktif ini yang digunakan sebagai eksitasi sekaligus sebagai pengaturan tegangannya, karena daya reaktif yang dihasilkan besarnya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.  Static var compensator SVC Static var compensator SVC terdiri dari thyristor, reaktor, dan kapasitor. Kapasitor nilainya tetap dan dapat digunakan sebagai daya reaktif untuk membangkitkan tegangan pada kondisi tanpa beban. Pada saat terjadi perubahan tegangan, maka reaktor yang akan menyalurkan daya reaktif yang besarnya diatur dengan thyristor. Thyristor diatur sudut penyalaannya sedemikian rupa sehingga dapat menyalurkan daya reaktif yang sesuai besarnya sehingga dapat mengatur tegangan yang diinginkan.  Konverter AC-DC-AC Konverter ini terdiri dari penyearah AC-DC yang berfungsi sebagai penyearah arus bolak-balik menjadi arus searah dan kemudian diubah kembali menjadi arus bolak-balik menggunakan inverter DC-AC. Pada saat berada pada tegangan DC ini, tegangan diatur dengan menggunakan pengaturan tegangan Universitas Sumatera Utara 25 elekronika daya sehingga pada saat dikonversikan kembali ke tegangan AC, tegangan keluarannya sesuai dengan tegangan yang diinginkan.  Static synchronous compensator STATCOM Static synchronous compensator STATCOM adalah alat yang digunakan untuk mengkompensasi daya reaktif yang dihubungkan paralel dengan sistem. STATCOM dapat membangkitkan dan atau menyerap daya reaktif dan keluarannya dapat bervariasi untuk mengontrol spesifikasi parameter dari sistem daya listrik. Apabila tegangan lebih rendah daripada tegangan nominal sistem maka STATCOM akan membangkitkan daya reaktif, pada keadaan ini maka STATCOM bersifat kapasitif. Apabila tegangan lebih tinggi daripada tegangan nominal sistem maka STATCOM akan menyerap daya reaktif, pada keadaan ini maka STATCOM bersifat induktif. Dari beberapa metode pengaturan tegangan generator induksi berpenguatan sendiri yang telah dijelaskan, penulis menggunakan metode pengaturan tegangan dengan menggunakan Static synchronous compensator STATCOM. STATCOM digunakan karena STATCOM merupakan metode terbaru dari beberapa metode yang telah dijelaskan diatas. Metode ini dapat menjaga tegangan tetap stabil, baik itu pada saat tegangan turun dan tegangan naik melebihi tegangan nominal. Metode pengaturan ini yang akan diaplikasikan pada simulasi generator induksi berpenguatan sendiri.

2.8. Static Synchronous Compensator STATCOM