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 .
Universitas Sumatera Utara
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 n
s
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 n
s
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
n
r
= n
s
. Saklar sumber tegangan tiga phasa untuk stator dilepas, dan kapasitor yang sudah discharge akan bekerja dan akan mempertahankan besar n
s
. Motor dc diputar hingga melewati kecepatan putaran sinkronnya mesin induksi n
r
n
s
, sehingga slip yang timbul antara putaran rotor dan putaran medan magnet
Universitas Sumatera Utara
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 n
r
sedikit lebih cepat dari putaran sinkron n
s
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Xm
s R
X R
X I
Xc
Ic E1
b e
b a
n
V 2
2
1 1
1
I
L
Gambar 3.4. Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi
Universitas Sumatera Utara
Dimana : R
1
= tahanan stator I
L
= arus beban R
2
= tahanan rotor s = slip
X
1
= reaktansi stator v = tegangan keluaran phasa-netral
X
2
= reaktansi rotor X
m
= reaktansi magnetisasi X
C
= reaktansi kapasitansi I
1
= arus stator I
C
= 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 E
1
. Tegangan E
1
ini akan mengakibatkan arus mengalir ke kapasitor sebesar I
1
. Dengan adanya arus sebesar I
1
, akan menambah jumlah fluksi di celah udara, sehingga tegangan di stator menjadi E
2.
Tegangan E
2
akan mengalirkan arus di kapasitor sebesar I
2
yang akan menyebabkan fluksi bertambah dan tegangan yang dibangkitkan juga akan
meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik keseimbangan E = V
C
seperti ditunjukkan dalam gambar 3.5. Dalam kondisi ini tidak terjadi lagi penambahan
fluksi ataupun tegangan yang dibangkitkan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5. 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.
Gambar 3.6. Tegangan fungsi kapasitor eksitasi.
Universitas Sumatera Utara
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:
n
r
= kecepatan rotor rpm n
s
= kecepatan sinkron rpm Apabila n
r
n
s
, 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 n
r
= n
s,
s = 0 , tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada belitan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.
Bila n
r
n
s
, 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,
Universitas Sumatera Utara
maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f’
yaitu, n
s
– n
r
= p
f 120
, diketahui bahwa n
s
= 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 sn
s
. 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 n
s
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.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.7. Diagram aliran daya nyata.
Rugi-rugi gesekan dan angin P
g+a,
rugi-rugi inti stator P
i
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 : P
1
= P
mek
- P
g+a
……………………………...3.5 P
c
= P
1
- P
cu2
……………………..………….3.6 P
2
= P
c
– P
cu1
– P
i
………..………………….3.7 dengan :
P
1
= daya masukan rotor P
2
= daya keluaran stator P
mek
= daya mekanis dari prime mover P
g+a
= rugi-rugi gesek dan angin P
i
= rugi-rugi inti stator P
c
= daya pada celah udara P
cu1
= rugi-rugi tembaga stator
Universitas Sumatera Utara
P
cu2
= 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 = E
1
– I
1
R
1
+ jX
1
…………………… 3.8 I
1
= I
C
+ I
L
………………………………… 3.9 dimana,
V = tegangan keluaran generator Volt E
1
= ggl induksi yang dibangkitkan pada stator Volt
Universitas Sumatera Utara
I
1
= arus stator Ampere I
L
= 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 I
1
. 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
2
I
1
I
2
E
2
= E
1
I
m
I
o
I
RC
I
2
R
2
E
2S
jI
2
X
2S
-I
1
R
1
-jI
1
X
1
V
1
Universitas Sumatera Utara
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. I
C
=
C
X V
………………………………….. 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 V
1
dan arus eksitasi sebesar OA
1
. Saat generator induksi dibebani, titik kerja turun menjadi titik B dengan tegangan keluaran generator sebesar V
2
dan arus eksitasi menjadi sebesar OC
1
tersebut yang digunakan untuk eksitasi hanya sebesar OB
1
,
Universitas Sumatera Utara
sedangkan sisanya sebesar B
1
C
1
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 X
m
sedangkan penambahan penurunan tegangan induksi hanya dapat terjadi bila arus yang mengalir pada X
m
ditambah atau dikurangi. Berdasarkan karakteristik maknetisasi semakin besar arus maknetisasi,
maka X
m
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.
Gambar 3.10. Kurva maknetisasi dan proses pengendalian tegangan
Universitas Sumatera Utara
Sama seperti mesin – mesin listrik lainnya, Generator induksi pun mempunyai batasan arus maknetisasi yang dapat menyuplai nilai X
m
minimal. Sebab bila X
m
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 X
m
, hal ini disebabkan oleh arus yang mengalir pada kapasitor adalah arus reaktif dan dilihat
dari rangkaian ekivalen perubahan arus reaktif yang pada rangkaian maknetis X
m
. Perubahan arus yang mengalir pada X
m
akan menyebabkan perubahan nilai X
m
itu sendiri. Jadi hasil akhir dari perubahan nilai kapasitor adalah perubahan posisi
titik operasi generator induksi pada kurva magnetisasi.
Universitas Sumatera Utara
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
V
2
……………, Xc = fC
π 2
1
∆Q = V
2
.2 π. f. C ………………………… 3.12
C =
f V
Q
π
2
2
∆
……………………………. 3.13
III.11.1 Kapasitor Hubungan Delta
∆
• •
•
•
∆
c
V
∆
C
I
Gambar 3.11. Kapasitor terhubung delta
Universitas Sumatera Utara
Apabila dihubungkan dengan hubungan delta ∆ maka besar kapasitansi
kapasitor adalah: C
∆
perphasa =
f V
Q
π
2 3
2
∆
Farad ………… 3.14
III.11.2 Kapasitor Hubungan Wye Y
• •
• •
•
• •
•
C
Y
V
C
Y
I
Gambar 3.12. Kapasitor terhubung bintang
Apabila dihubungkan dengan hubungan bintang Υ maka besar
kapasitansi kapasitor adalah: C
Y
perphasa =
f V
Q
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 :
Universitas Sumatera Utara
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 –
shunt
Universitas Sumatera Utara
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
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 Tegangan Beban V
L
= I
L
R
L +
j X
L
………………………………... 3.20
Universitas Sumatera Utara
Daya Output Perfasa P
out
= I
L 2
R
L
…………………………………… 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 n
r
n
s
dan atau mesin bekerja pada slip negatip s 0 .
n
s
= p
f 120
…………………………………………………................ 3.23
dengan : n
s
: Kecepatan medan putar, rpm f : Frekuensi sumber daya, Hz
p : Jumlah kutub motor induksi. Sehingga ;
s =
s r
s
n n
n −
. 100 , n
r
n
s
…………………………………………….. 3.24 dengan :
s : slip n
s
: Kecepatan medan putar, rpm n
r
: Kecepatan putar rotor, rpm
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
BAB IV PENGARUH PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI
Kategori