Perancangan Generator Induksi 1 Fase Tereksitasi Diri Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Daerah Terpencil

LAPORAN TAHUNAN
PENELITIAN HIBAH BERSAING

PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI 1 FASE TEREKSITASI DIRI SEBAGAI
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO DI DAERAH TERPENCIL
Tahun ke 1 dari rencana 2 tahun

Ketua/Anggota Tim
Agus Supardi, ST.MT (NIDN : 0629107601)
Dr. Heru Supriyono, ST. MSc (NIDN : 0619047704)
Dedy Ari Prasetyo, ST (NIDN : 0615117504)

Dibiayai oleh Koordinasi Perguruan Tinggi Swasta Wilayah VI,
Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan,
sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian
Nomor : 007/K6/KL/SP/PENELITIAN/2014, tanggal 8 Mei 2014

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
NOVEMBER 2014

RINGKASAN

Persoalan krisis energi listrik merupakan salah satu persoalan besar yang
dihadapi oleh negara Indonesia. Ketidakseimbangan antara peningkatan
kebutuhan daya listrik dengan peningkatan kapasitas pembangkit mengakibatkan
adanya defisit energi listrik. Selain itu, masih banyak daerah-daerah terpencil
yang belum tersentuh oleh program elektrifikasi akibat tidak terjangkaunya daerah
tersebut oleh infrastruktur kelistrikan yang ada. Di sisi lain, daerah-daerah
terpencil tersebut sebenarnya menyimpan potensi tenaga air yang dapat
dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Di daerah seperti itu lebih cocok
dibangun pembangkit listrik berkapasitas kecil tetapi jumlah unitnya banyak,
menyesuaikan dengan persebaran rumah penduduk. Oleh karena itu perlu
dilakukan penelitian untuk mengembangkan suatu pembangkit listrik skala kecil
yang mudah pembuatannya, mudah pengoperasiannya, mudah perawatannya dan
harganya juga murah.
Dalam penelitian ini akan dikembangkan suatu prototipe pembangkit
listrik skala kecil yang memanfaatkan tenaga air. Pembangkit tersebut didesain
menggunakan generator induksi tereksitasi diri dan tidak terhubung dengan jalajala listrik (stand alone). Untuk menjaga kestabilan tegangan dan frekuensi
pembangkit maka diusulkan pemakaian suatu kontroler yang akan mengatur
pembebanan generator induksi. Beban yang diatur oleh kontroler berupa beban
komplemen. Beban komplemen tersebut diatur dayanya oleh kontroler sehingga

beban total yang dipikul oleh generator induksi diharapkan akan selalu konstan
walaupun sesungguhnya beban di sisi konsumen berubah-ubah nilainya. Dengan
demikian diharapkan diperoleh suatu prototipe sistem pembangkit listrik skala
kecil yang dapat menghasilkan listrik yang berkualitas walaupun dibangun di
daerah-daerah terpencil dengan memanfaatkan potensi tenaga air yang ada.
Untuk mencapai tujuan tersebut kegiatan penelitian pada tahun pertama
akan diawali dengan melakukan pengujian parameter mesin induksi 1 fase
berdaya kecil yang akan difungsikan sebagai generator induksi tereksitasi diri.
Setelah itu dilakukan pemodelan matematis berdasarkan hasil pengujian
parameter tersebut. Simulasi terhadap model tersebut dilakukan dengan
memvariasi kecepatan mesin, nilai kapasitor eksitasi, dan besar beban dengan
harapan akan diketahui hubungannya terhadap tegangan dan frekuensi generator
induksi. Setelah itu akan dilakukan perancangan seperangkat kontroller yang
mengatur variabel-variabel kontrol agar diperoleh ouput generator yang
berkualitas baik. Untuk mengamati unjuk kerja hasil perancangan kontroller maka
ditahap awal akan dilakukan pengujian berbasis simulasi terlebih dahulu. Setelah
diperoleh konfigurasi kontroller yang terbaik, baru ditindaklanjuti dengan
pembuatan hardware dari kontroller tersebut. Setelah itu dilakukan pengujian
unjuk kerja kontroler secara riil dengan cara menghubungkannnya ke generator
induksi dan dilakukan berbagai variasi. Penyempurnaan terus dilakukan sampai

diperoleh hasil sesuai dengan harapan.

iii

Hasil penelitian menunjukkan bahwa ukuran kapasitor akan
mempengaruhi besarnya tegangan yang dibangkitkan oleh generator induksi.
Semakin besar kapasitornya maka semakin besar juga tegangan yang
dibangkitkan. Agar dapat menghidupkan beban listrik rumah tangga berdaya
sampai 440 watt dibutuhkan kapasitor sebesar 32 µF. Frekuensi generator induksi
sangat ditentukan oleh kecepatan putar generator. Untuk menghasilkan frekuensi
± 50 Hz, generator induksinya harus diputar ±1500 rpm. Tegangan dan frekuensi
generator induksi dipengaruhi oleh besar dan jenis beban listrik yang disuplainya.
Semakin besar daya beban yang dihubungkan maka tegangan dan frekuensinya
akan semakin turun. Untuk mengendalikan tegangan dan frekuensi generator
induksi digunakan kontroler berbasis PLC Zelio. Kontroler tersebut dapat
mempertahankan tegangan dan frekuensi generator induksi dalam batas – batas
kualitas yang ditetapkan dalam standar.
Kata kunci : Generator induksi 1 fase, tereksitasi diri, kontroler

iv

PRAKATA

Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat,
hidayah serta karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan
laporan tahunan penelitian hibah bersaing yang berjudul “Perancangan Generator
Induksi 1 Fase Tereksitasi Diri Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Di
Daerah Terpencil”.
Selama penyusunan laporan penelitian ini penulis mendapat dukungan dari
berbagai pihak baik yang terlibat secara langsung maupun tidak langsung. Oleh
karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Agus Ulinuha, ST.MT.PhD selaku Ketua Lembaga Penelitian dan
Pengabdian Masyarakat Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Umar, ST. MT selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
3. Seluruh anggota tim penelitian
4. Bapak dan ibu dosen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Penulis menyadari bahwa laporan tahunan penelitian ini belum sempurna
karena keterbatasan kemampuan penulis. Oleh karena itu saran dan kritik yang

bersifat membangun akan selalu penulis terima untuk kesempurnaan diwaktu
mendatang.
Semoga laporan tahunan penelitian ini dapat bermanfaat bagi penulis pada
khususnya serta bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan dapat dijadikan

v

referensi untuk menambah pengetahuan di bidang elektro dan untuk penelitian
serupa diwaktu mendatang, Amin.
Surakarta,

November 2014

Penulis

vi

DAFTAR ISI

HALAMAN SAMPUL ............................................................................................ i

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ ii
RINGKASAN ........................................................................................................ iii
PRAKATA...............................................................................................................v
DAFTAR ISI......................................................................................................... vii
DAFTAR TABEL.................................................................................................. ix
DAFTAR GAMBAR ...............................................................................................x
DAFTAR LAMPIRAN......................................................................................... xii
BAB 1. PENDAHULUAN ..................................................................................... 1
1.1

Latar Belakang................................................................................................1

1.2

Perumusan Masalah ........................................................................................3

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................4
2.1

Telaah Penelitian ............................................................................................4

2.2

Landasan Teori ...............................................................................................8

BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ............................................19
3.1

Tujuan Penelian ............................................................................................19

3.2

Manfaat Penelitian ........................................................................................19

BAB 4. METODE PENELITIAN..........................................................................20
4.1

Tempat Penelitian .........................................................................................20

4.2

Alat dan Bahan .............................................................................................20

4.3

Diagram Alir Penelitian................................................................................21

vii

4.4

Detail Perlakuan dan Rancangan Percobaan ................................................22

BAB 5. HASIL DAN PEMBAHASAN.................................................................29
5.1

Hasil Penelitian Generator Induksi Tanpa Beban.........................................29

5.2

Hasil Penelitian Untuk Generator Berbeban Resistif ...................................33

5.3

Hasil Penelitian Untuk Generator Berbeban Induktif...................................39

5.4

Hasil Penelitian Untuk Generator Berbeban Resistif Induktif .....................42

5.5

Kontroler Generator Induksi.........................................................................45

BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA ................................................50
6.1

Peta Jalan Penelitian .....................................................................................50

6.2

Metode Penelitian Tahun Kedua ..................................................................51

6.3

Detail Perlakuan dan Rancangan Percobaan Pada Tahun Kedua.................53

BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................58
5.1

Kesimpulan ...................................................................................................58

5.2

Saran .............................................................................................................59

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................60
LAMPIRAN
Lampiran Prototipe generator induksi

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 5.1 Hasil pengukuran generator induksi pada saat tanpa beban ..................29
Tabel 5.2 Hasil pengukuran generator induksi berbeban resistif berupa lampu
pijar ........................................................................................................................33
Tabel 5.3 Hasil pengukuran generator induksi berbeban induktif berupa lampu
TL...........................................................................................................................39
Tabel 5.4 Hasil pengukuran generator induksi berbeban resistif – induktif ..........42
Tabel 5.5 Hasil pengujian kontroler generator induksi..........................................48

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Rangkaian ekuivalen motor induksi saat pengujian beban nol ..........17
Gambar 4.1 Diagram alir penelitian.......................................................................22
Gambar 4.2 Rangkaian pengujian resistansi belitan stator ....................................23
Gambar 4.3 Rangkaian motor induksi yang dikopel motor DC ............................24
Gambar 4.4 Rangkaian Uji Generator induksi .......................................................24
Gambar 4.5 Diagram Alir Pengujian Karakteristik Motor Induksi 1 Fase
Sebagai Generator ..................................................................................................25
Gambar 4.6 Diagram blok kontroler tegangan dan frekuensi generator induksi ...26
Gambar 5.1 Hubungan antara ukuran kapasitor dengan tegangan generator.........30
Gambar 5.2 Hubungan antara ukuran kapasitor dengan frekuensi generator ........31
Gambar 5.3 Hubungan antara daya beban resistif dengan kecepatan putar...........34
Gambar 5.4 Hubungan antara daya beban resistif dengan frekuensi .....................35
Gambar 5.5 Hubungan antara daya beban resistif dengan tegangan generator .....36
Gambar 5.6 Hubungan antara daya beban resistif dengan arus generator .............37
Gambar 5.7 Hubungan kecepatan putar dengan frekuensi generator ....................38
Gambar 5.8 Hubungan antara kecepatan putar dengan tegangan generator ..........38
Gambar 5.9 Hubungan antara kecepatan putar dengan daya beban induktif .........39
Gambar 5.10 Hubungan antara frekuensi dengan daya beban induktif .................40
Gambar 5.11 Hubungan antara tegangan dengan daya beban induktif..................41
Gambar 5.12 Hubungan antara kecepatan putar dengan daya beban resistif
induktif ...................................................................................................................42

x

Gambar 5.13 Hubungan antara frekuensi dengan daya beban resistif induktif .....43
Gambar 5.14 Hubungan antara tegangan dengan daya beban resistif induktif......43
Gambar 5.15 Hubungan antara jenis beban dengan tegangan generator ...............44
Gambar 5.16 Hubungan antara jenis beban dengan frekuensi generator...............44
Gambar 5.17 Diagram tangga PLC........................................................................46
Gambar 5.18 Hasil simulasi program PLC ............................................................47
Gambar 5.19 Hasil pengujian kontroler generator induksi ....................................49
Gambar 6.1 Peta Jalan Penelitian...........................................................................51
Gambar 6.2 Diagram alir penelitian pada tahun kedua..........................................52
Gambar 6.3 Rangkaian Uji Generator induksi.......................................................55
Gambar 6.4 Diagram Alir Perancangan Sistem Penggerak Mula Generator.........56
Gambar 6.5 Diagram Alir Perancangan Turbin Dan Nozel...................................57
Gambar 6.6 Diagram Alir Perancangan Transmisi ................................................57

xi

DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Prototipe generator induksi

xii

BAB I
PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang
Persoalan krisis energi listrik merupakan salah satu persoalan besar yang

dihadapi oleh negara Indonesia. Ketidakseimbangan antara peningkatan
kebutuhan daya listrik dengan peningkatan kapasitas pembangkit mengakibatkan
adanya defisit energi listrik. Selain itu, masih banyak daerah-daerah terpencil
yang belum tersentuh oleh program elektrifikasi. Dalam rangka mengatasi defisit
energi listrik dan sekaligus mendorong tumbuhnya kegiatan ekonomi daerah
maka sesuai dengan Undang Undang Nomor 20 Tahun 2002 tentang
ketenagalistrikan, maka pemerintah menyediakan dana untuk membangun sarana
penyedia tenaga listrik di daerah yang belum berkembang dan di daerah terpencil.
Dengan kebijakan ini di beberapa daerah yang terpencil sudah mulai dibangun
pembangkit listrik berkapasitas kecil seperti Pembangkit Listrik Tenaga
Mikrohidro (PLTMH), Pembangkit Listrik Tenaga Surya, dan Pembangkit Listrik
Tenaga Angin. Walaupun sudah ada upaya riil, tetapi sesungguhnya masih
banyak potensi alam yang belum dimanfaatkan secara optimal untuk
membangkitkan

tenaga

listrik.

Dalam

rangka

mengembangkan

sistem

pembangkit listrik di daerah terpencil, tuntutan utamanya adalah bagaimana
membuat sistemnya sederhana, mudah perawatannya dan bisa dioperasikan oleh
masyarakat di sekitarnya.

1

2

Salah satu komponen utama yang menjadi pertimbangan dalam
perencanaan sistem pembangkit adalah jenis generator yang digunakan untuk
mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator induksi merupakan
salah satu alternatif di antara beberapa jenis generator lainnya. Generator induksi
mempunyai konstruksi yang kokoh, tidak memerlukan sikat arang/komutator,
harganya murah, mudah perawatannya, mudah pengoperasiannya, dan mampu
membangkitkan tenaga listrik pada berbagai kecepatan. Karakteristik inilah yang
menyebabkan generator induksi menjadi salah satu alternatif pilihan untuk
aplikasi pembangkit listrik berdaya kecil pada daerah yang terpencil lokasinya.
Apabila generator induksi hendak diterapkan pada suatu sistem
pembangkit di lokasi terpencil, maka akan dijumpai kenyataan bahwa potensi
tenaga penggerak mula yang digunakan untuk memutar generator tersebut adalah
tidak konstan. Pada pembangkit tenaga mikrohidro sering dijumpai debit air yang
berbeda-beda akibat pengaruh musim. Di sisi lain, beban harian yang harus
dipikul oleh sistem pembangkit tersebut juga tidak konstan. Kondisi ini akan
berdampak besar terhadap tegangan dan frekuensi pembangkit tersebut. Oleh
karena itu perlu dilakukan suatu penelitian untuk membuat suatu prototipe
generator induksi yang dapat menghasilkan tegangan dan frekuensi dalam batasbatas kualitas yang baik walaupun untuk implementasi di daerah terpencil.
Dalam penelitian akan dikembangkan suatu prototipe generator induksi 1
fase sebagai pembangkit listrik berkapasitas kecil dan tidak terhubung dengan
jala-jala listrik (stand alone). Untuk menjaga kestabilan tegangan pembangkit
maka diusulkan pemakaian suatu kontroler elektronis kontroler elektronis untuk

k

3

mengatur secara otomatis dari daya yang dialokasikan ke beban komplemen
(beban resistif) yang terhubung dengan generator induksi. Beban komplemen
tersebut diatur dayanya sehingga diharapkan generator induksi akan selalu
memikul beban total yang sama walaupun sesungguhnya beban di sisi konsumen
berubah-ubah nilainya. Dengan demikian diharapkan dari penelitian dapat
diperoleh suatu prototipe sistem pembangkit listrik skala kecil yang dapat
menghasilkan listrik yang berkualitas walaupun dibangun di daerah-daerah
terpencil dengan memanfaatkan potensi tenaga air yang ada.

1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang sebagaimana diuraikan di atas, dapat
dirumuskan masalah sebagai berikut :
1.

Bagaimana karakteristik mesin induksi 1 fase yang difungsikan sebagai
generator/pembangkit listrik berdaya kecil?

2.

Bagaimana hubungan antara kapasitansi kapasitor terhadap tegangan
generator induksi?

3.

Bagaimana hubungan antara kecepatan generator induksi terhadap tegangan
dan frekuensi generator induksi?

4.

Bagaimana pengaruh perubahan beban terhadap tegangan dan frekuensi
generator induksi?

5.

Bagaimana cara merancang dan membuat suatu kontroler elektronis yang
dapat mengendalikan tegangan dan frekuensi generator induksi secara
otomatis?

k

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Telaah Penelitian
Bansal (2005) mengungkapkan bahwa motor induksi 3 fase dapat
diioperasikan sebagai generator induksi. Hal ini ditunjukkan dari diagram
lingkaran mesin pada daerah slip negatif. Ini berarti bahwa agar mesin induksi 3
fase dapat beroperasi sebagai generator maka rotornya harus berputar lebih cepat
daripada kecepatan medan magnet di statornya sehingga dihasilkan slip negatif.
Pada kondisi ini daya aktif mengalir dari mesin, namun mesin membutuhkan daya
reaktif. Agar terminal generator menghasilkan tegangan, maka eksitasi harus
disediakan. Daya eksitasi ini bisa berasal dari jaringan (mesin menjadi semacam
beban) atau bila sistem terisolasi (stand-alone) harus terhubung dengan suatu
bank kapasitor yang cukup.
Besarnya kapasitor eksitasi yang diperlukan dapat diprediksi dengan
melakukan pemodelan matematis. Boora (2010) memaparkan bahwa karakteristik
generator induksi 3 fase tereksitasi diri yang dimodelkan pada kondisi seimbang
dan tak seimbang sangat ditentukan oleh nilai kapasitor eksitasi. Karena generator
induksi yang dianalisis dalam kondisi stand alone maka frekuensi medan putar di
belitan statornya akan berubah seiring dengan perubahan kecepatan rotor dan
menghasilkan slipnya yang nilainya tetap kecil. Hasil lainnya menunjukkan
efisiensi generator induksi mempunyai nilai yang tinggi.
Generator induksi mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan

4

5

generator sinkron antara lain harga unitnya murah, konstruksinya kuat dan
sederhana, mudah dalam pengoperasiannya, memerlukan sedikit perawatan, dan
mempunyai keandalan yang tinggi (Ouhrouche, 1995). Menurut Bansal (2005)
keunggulan generator induksi lainnya adalah reduksi unit cost dan ukuran, tanpa
sikat, ketiadaan sumber DC terpisah, kemampuan proteksi diri terhadap beberapa
kondisi beban lebih dan hubung singkat.
Generator induksi dapat diterapkan pada sistem pembangkit tenaga angin
dimana mesin atau kincir angin yang memutar generator tidak mengharuskan pada
kecepatan sinkronnya agar dihasilkan tegangan. Dengan demikian, jika daya yang
dibangkitkan tidak mensyaratkan frekuensi dan tegangan tetap maka generator
dapat dioperasikan stand alone atau terisolasi, terlepas dari saluran publik (Irianto,
2004).
Mesin induksi yang tersedia di pasaran untuk daya yang besar biasanya
merupakan mesin induksi 3 fase. Apabila digunakan sebagai generator, maka juga
akan menghasilkan keluaran 3 fase. Dalam kenyataannya, mayoritas beban listrik
yang digunakan masyarakat luas adalah peralatan satu fasa sehingga lebih tepat
digunakan generator 1 fase. Fukami et al (1999) melaporkan bahwa mesin induksi
3 fase dapat digunakan sebagai generator induksi 1 fase pada suatu sistem yang
tidak terhubung dengan jala-jala listrik (stand alone). Agar menghasilkan
tegangan tertentu maka pada generator tersebut harus dihubungkan kapasitor
eksitasi dengan ukuran tertentu.
Dalam penelitian ini, kami mengusulkan pemakaian motor induksi 1 fase
sebagai generator induksi. Hal ini dilatarbelakangi kenyataan bahwa motor ini

k

6

mempunyai kapasitas daya yang kecil, jumlahnya fasanya hanya satu, sangat
mudah dijumpai di pasaran, dan harganya sangat terjangkau sehingga sangat
cocok untuk aplikasi pada pembangkit skala kecil di daerah terpencil. Untuk
tujuan ini maka akan diteliti karakteristik dari generator induksi 1 fase dalam
kondisi tereksitasi diri dengan memanfaatkan bank kapasitor.
Ada beberapa permasalahan yang perlu dipecahkan terkait dengan
pemanfaatan generator induksi sebagai pembangkit. Supardi (2009) memaparkan
bahwa generator induksi 3 fase tereksitasi diri bisa menghasilkan harmonik.
Tegangan generator induksi yang diteliti pada saat tanpa beban mengalami
distorsi sebesar 16,7–20,7% dari komponen fundamentalnya. Harmonisa orde ke3 adalah yang paling dominan dibanding dengan yang lainnya. Pemasangan beban
lampu LHE (Lampu Hemat Energi) dan lampu TL(Tube Lamp) dengan ballast
lilitan mengakibatkan keluaran generator menjadi lebih terdistorsi. Sumbangan
lampu LHE terhadap distorsi harmonik lebih besar dari lampu TL dengan ballast
lilitan. Dengan menggunakan filter harmonik orde ke-3 (terhubung seri) dan orde
5 (terhubung pararel) maka distorsi harmoniknya dapat diselesaikan karena
nilainya sudah memenuhi standar IEEE 519 (THD-V < 5% dan THD-I < 15%).
Ouhrouche and Chaine (1995) memaparkan bahwa generator induksi yang
terhubung dengan kapasitor menjadi self excited jika dilepaskan dari jala-jala
listrik. Nilai reaktans magnetisasinya turun sehingga bisa menyebabkan
ferroresonance. Gelombangnya menjadi sangat terdistorsi sehingga peralatan
proteksi dapat salah merespon.
Permasalahan lainnya yang muncul terkait dengan aplikasi generator

k

7

induksi adalah tegangan dan frekuensi output generator induksi pada
pengoperasian pembangkit stand-alone sangat sensitif terhadap perubahan beban.
Hal ini akan menyebabkan generator induksi beroperasi pada tegangan dan
frekuensi output yang berfluktuatif pada perubahan beban. Oleh karena itu perlu
dilakukan pengaturan tegangan dan frekuensi generator induksi. Marinescu dan
Ion (2009) mengusulkan sebuah metode yang dapat digunakan untuk mengatur
tegangan dan frekuensi output generator induksi yaitu dengan menggunakan
rangkaian Voltage Source Inverter (VSI). Dengan metode ini keluaran generator
induksi diubah menjadi tegangan searah dan kemudian diubah lagi menjadi
tegangan bolak-balik yang konstan magnitudenya. Asy’ari (2010) mengusulkan
pemakaian storage.

Dengan menggunakan storage maka tegangan output,

putaran rotor dan frekuensi menjadi stabil pada saat pembebanan dilakukan
dibandingkan pada saat tanpa menggunakan storage. Pengaturan tegangan lainnya
dilakukan dengan cara menambah satu induktor yang menjadikan generator
induksi jenuh pada tegangan nominalnya (Widmer dan Arter, 1992). Pengaturan
ini sangat sederhana dan tidak memerlukan

elemen kendali yang banyak.

Kelemahannya ialah karena besar kapasitor eksitasinya konstan maka akan
menghasilkan kelebihan arus reaktif saat beban nol. Kelebihan arus reaktif akan
mengakibatkan kelebihan arus eksitasi pada generator sehingga generator akan
menghasilkan tegangan tinggi yang dapat merusak generator. Murthy et al. (1993)
melaporkan bahwa unjuk kerja daripada kapasitor seri sebagai strategi untuk
mengontrol tegangan generator induksi adalah kurang memuaskan. Kondisi ini
diperbaiki dengan menggunakan strategi pengaturan tegangan menggunakan

k

8

transformator tegangan. Kelemahannya adalah harga trafo tegangan tersebut
mahal. Jayaramaiah dan Fernandes (2006) mengusulkan kontrol tegangan
generator induksi dengan menggunakan PWM (Pulse Width Modulated) VSI.
Peralatan kontrol ini memerlukan biaya yang mahal yang merupakan salah satu
isu terkait pengembangan pembangkit berkapasitas kecil. Suatu model kontrol
dengan menggunakan chopper yang mensuplai beban resistif juga diusulkan oleh
Ammasaigounden(1999) dimana daya yang disuplai ke beban komplemen
dikendalikan dengan menvariasi duty cycle dari chopper. Karena chopper
mendapatkan suplai daya dari tegangan DC konstan maka model ini tidak
direkomendasikan untuk sistem dengan beban bolak-balik. Ahmed et al. (2003)
mengusulkan kompensator VAR statis yang terdiri dari kapasitor paralel yang
yang dipindahhubungan dengan menggunakan thyristor.
Dalam penelitian ini untuk mengatur tegangan keluaran dari generator
induksi kami mengusulkan suatu rangkaian kontrol elektronis yang berbasis PLC
yang akan mengendalikan alokasi beban komplemen dari generator induksi.
Ketika beban listrik yang dinyalakan pelanggan hanya berdaya kecil maka
kontroler akan menyalakan beban komplemen berdaya besar, begitu juga
sebaliknya. Dengan demikian generator induksi akan merasakan daya yang tetap
pada terminal keluarannya.

2.2. Landasan Teori
Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling luas
digunakan dalam setiap aplikasi industri maupun rumah tangga. Motor ini

k

9

memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, dan murah harganya. Di
samping itu motor ini juga memiliki efisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan
tidak membutuhkan perawatan yang banyak.

2.2.1. Generator Induksi Dan Definisinya
Generator induksi adalah mesin induksi yang bekerja sebagai generator,
oleh karena itu mesin induksi mempunyai persamaan dan konstruksi yang sama
untuk generator maupun untuk motor. Prinsip kerja generator induksi merupakan
kebalikan dari motor induksi. Ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan
stator diberi tegangan sehingga akan timbul medan putar dengan kecepatan
sinkron. Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor motor diputar
oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada kecepatan
sinkronnya. Bila suatu konduktor berputar di dalam medan magnet (kumparan
stator) maka akan dibangkitkan tegangan.
Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan medan magnet pada
kumparan stator sehingga timbul arus pada kumparan stator sebagai reaksi atas
gaya mekanik yang diberikan. Pada proses perubahan motor induksi menjadi
generator induksi dibutuhkan daya reaktif atau daya magnetisasi untuk
membangkitkan tegangan pada terminal keluarannya. Dalam hal ini yang
berfungsi sebagai penyedia daya reaktif adalah kapasitor yang besarnya
disesuaikan dengan daya reaktif yang diperlukan.
Kebutuhan daya reaktif dapat dipenuhi dengan memasang suatu unit
kapasitor pada terminal keluaran, dimana kapasitor menarik daya reaktif kapasitif

k

10

atau dengan kata lain kapasitor memberikan daya reaktif induktif pada mesin
induksi. Kerja dari kapasitor ini dapat dipandang sebagai suatu sistem penguat
(eksitasi) sehingga generator induksi juga dikenal dengan sebutan generator
induksi penguatan sendiri (self excited of induction generator).
Hal terpenting yang harus diperhatikan dalam kinerja generator induksi
adalah fluks sisa atau medan magnet pada kumparan stator. Tanpa adanya fluks
sisa maka proses pembangkitan tegangan tidak akan terjadi. Dengan adanya fluks
sisa ini dan perputaran rotor akan menimbulkan tegangan induksi pada rotor.
Tegangan induksi ini akan terinduksi pula pada sisi stator dan akan menimbulkan
arus yang akan mengisi kapasitor hingga terjadi keseimbangan. Keseimbangan
tersebut ditandai dengan titik pertemuan antara lengkung magnetisasi dengan
garis reaktansi kapasitif.

2.2.2. Generator Induksi Dan Definisinya
Dalam aplikasinya generator induksi dibagi menjadi dua jenis yaitu
generator induksi masukan ganda (Doubly Fed Induction Generator atau DFIG )
dan generator induksi berpenguat sendiri (Self Excited Induction Generator atau
SEIG). Pembagian jenis generator ini berdasarkan pada sumber eksitasi generator
berasal. Eksitasi pada generator induksi dibutuhkan untuk menghasilkan medan
magnet

pada

rotor

generator

untuk

selanjutnya

menghasilkan

induksi

elektromagnetik pada stator yang akan menghasilkan energi listrik. Selain itu
eksitasi juga dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif yang dibutuhkan
oleh generator dalam membangkitkan listrik.

k

11

1.

Generator Induksi Masukan Ganda
Pada generator induksi masukan ganda, eksitasi diperoleh dari jaringan

listrik yang telah terpasang. Generator induksi jenis ini menyerap daya reaktif dari
jaringan listrik untuk membangkitkan medan magnet yang dibutuhkan. Pada
generator jenis ini, terminal keluaran generator dihubungkan dengan inverter yang
kemudian dihubungkan dengan bagian generator. Generator induksi masukan
ganda saat ini banyak digunakan sebagai generator pada pembangkit listrik tenaga
baru.
Pada generator induksi masukan ganda terdapat dua buah inverter yang
menghubungkan antara keluaran generator dengan rotor. Kedua inverter tersebut
dihubungkan dengan penghubung as. Inverter yang terhubung dengan jaringan
bekerja pada frekuensi yang sama dengan frekuensi jaringan. Inverter ini juga
mengatur besar faktor daya yang masuk agar sesuai dengan besar daya reaktif
yang dibutuhkan oleh generator. Inverter yang terhubung dengan rotor bekerja
pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi putaran generator. Dengan
menggunakan konfigurasi seperti ini, besar arus yang mengalir pada rotor dapat di
atur sesuai dengan daya yang akan dibangkitkan.
Keuntungan dari generator induksi masukan ganda diantaranya adalah
tegangan dan frekuensi yang dihasilkan dapat tetap besarnya walaupun kecepatan
putarnya berubah-ubah. Namun generator jenis ini membutuhkan inverter sebagai
pengatur tegangan pada rotor dan juga rotor jenis kumparan karena generator ini
membutuhkan sumber pada rotornya. Dengan demikian tidak semua jenis mesin
induksi dapat digunakan sebagai generator induksi jenis ini. Selain itu generator

k

12

ini juga membutuhkan jaringan listrik untuk dapat beropasi, karena sumber daya
reaktif yang dibutuhkan oleh generator berasal dari jaringan. Apabila tidak ada
jaringan listrik atau generator lain yang memberikan daya reaktif maka generator
jenis ini tidak dapat beroperasi. Selain itu jika terjadi gangguan pada jaringan atau
blackout jaringan generator ini juga tidak dapat beropresi.

2.

Generator induksi berpenguat sendiri
Pada generator induksi berpenguat sendiri, eksitasi diperoleh dari

kapasitor yang dipasang parallel pada terminal keluaran generator. Generator
induksi jenis ini bekerja seperti mesin induksi pada daerah saturasinya hanya saja
terdapat bank kapasitor yang dipasang pada terminal statornya. Karena sumber
eksitasi generator ini berasal dari kapasitor yang dipasang pada terminalnya maka
mesin induksi dengan rotor kumparan maupun sangkar tupai dapat digunakan
sebagai generator induksi berpenguat sendiri.
Generator induksi jenis ini memiliki beberapa keuntungan yaitu:
1.

Tidak membutuhkan pengaturan tegangan pada rotornya.

2.

Tidak memerlukan inverter.

3.

Desain peralatan yang tidak rumit.

4.

Harga pembuatan lebih murah.

5.

Perawatan yang diperlukan murah dan tidak sulit.

6.

Tidak memerlukan jaringan listrik untuk dapat beroperasi
Generator induksi berpenguat sendiri juga dapat beroperasi dalam suatu

jaringan listrik dan tetap dapat beroperasi walaupun terdapat gangguan pada

k

13

jaringan. Oleh karena itu, generator induksi berpenguat sendiri lebih fleksibel
dalam pengoperasiannya.
Generator induksi berpenguat sendiri merupakan pilihan yang tepat untuk
memenuhi kebutuhan energi di tempat yang terisolir dimana daya reaktif dari
jaringan listrik tidak atau belum ada. Sumber energi yang digunakan untuk
mensuplai generator dapat berasal dari sumber energi yang tidak terlalu besar
jumlahnya, seperti kincir angin ataupun kincir air di sungai (yang biasa dikenal
dengan pembangkit listrik tenaga mikrohidro).
Dengan melihat kondisi di Indonesia dimana terdapat beberapa daerah
yang belum terjangkau listrik, generator induksi berpenguat sendiri merupakan
salah satu solusi yang tepat. Hal ini karena generator induksi berpenguat sendiri
dapat beroperasi sendiri tanpa adanya jaringan listrik. Dengan melihat besarnya
sumber energi yang dimiliki Indonesia yang masih belum tereksplorasi secara
maksimal kesempatan menggunakan generator induksi berpenguat sendiri sebagai
pembangkit listrik masih cukup besar. Sebagai negara kepulauan, Indonesia
mempunyai banyak sungai. Di daerah pendalaman sekalipun biasanya terdapat
sungai. Sungai-sungai ini dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga
mikrohidro untuk memenuhi kebutuhan listrik desa-desa di sekitarnya yang belum
terjangkau jaringan listrik. Dengan melihat kenyataan ini maka dapat diketahui
bahwa kesempatan penggunaaan generator induksi berpenguat sendiri cukup
besar. Oleh karena itu dibutuhkan pengembangan teknologi pendukungnya agar
kualitas energi yang dihasilkannya menjadi lebih baik.

k

14

2.2.3. Bagian Generator
Dalam generator dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian generator yang
berputar (stator) dan bagian generator yang tidak berputar (rotor).
1.

Rangka Stator
Rangka stator adalah salah satu bagian utama dari generator yang terbuat dari
besi tuang dan ini merupakan rumah dari semua bagian-bagian generator.

2.

Stator
Stator terdiri dari stator core (inti) dan kumparan stator yang diletakkan pada
frame depan dan belakang. Stator core dibuat dari beberapa lapis plat besi
tipis dan mempunyai alur pada bagian dalamnya untuk menempatkan
kumparan stator.

3.

Rotor
Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet. Rotor berputar
bersama poros, karena gerakannya maka disebut generator dengan medan
magnet berputar. Rotor terdiri dari inti kutub (pole core), kumparan medan,
poros dan lain lain. Inti kutub berbentuk seperti cakar dan di dalamnya
terdapat kumparan medan.

2.2.4. Kapasitor
Kapasitor adalah benda fisik yang ciri utamanya bersifat penyimpan
muatan. Komponen ini dalam arus bolak balik akan menarik arus yang
mendahului terhadap tegangannya dan akan memberikan reaktansi kapasitif
sebesar :

k

15

=

. .

.................................................................................................2.1

Dengan sifatnya yang demikian maka kapasitor dapat digunakan untuk
memperbaiki faktor daya pada sistem tenaga listrik dan sebagai sumber eksitasi
pada generator induksi. Cara menghubungkanya kapasitor dengan sistem tenaga
listrik pada prinsipnya ada dua cara yaitu secara seri dan paralel. Kapasitor seri
dan paralel ini pada sistem daya menimbulkan daya reaktif yang dapat
memperbaiki faktor daya dan tegangan sistem karena dapat menambah kapasitas
daya reaktif sebanding dengan kuadrat arus beban sedang pada kapasitor paralel
sebanding dengan kuadrat tegangan.
Umumnya beban pada jaringan listrik adalah beban induktif. Beberapa
beban induktif yang ada disebuah jaringan listrik, seperti heater, neon, motor
listrik, dan lain lain. Beban listrik kebanyakan adalah beban inductive. Untuk
menghilangkan/

mengurangi

komponen

daya

inductive

ini

diperlukan

kompensator yaitu kapasitor bank.

2.2.5. 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.

2.2.5.1. Pengujian Tanpa Beban ( No Load Test )
Pengujian tanpa beban pada suatu motor induksi akan memberikan
informasi tentang arus magnetisasi dan rugi – rugi tanpa beban. Biasanya

k

16

pengujian tersebut dilakukan pada frekuensi dan tegangan yang sesuai dengan
name platenya.
Pengukuran dilakukan setelah motor dinyalakan dalam waktu yang cukup
lama, agar bagian – bagian yang bergerak mengalami pelumasan sebagaimana
mestinya dan motor telah mencapai kondisi mantapnya. Rugi – rugi rotasional
pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan dan sama dengan rugi – rugi
tanpa beban.
Pada saat tanpa beban, nilai arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan
untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi rugi-rugi di stator. Oleh
karena itu rugi – rugi I2R pada saat tanpa beban bernilai cukup kecil dan dapat
diabaikan.
Nilai slip pada saat motor tanpa beban adalah sangat kecil sehingga akan
mengakibatkan tahanan rotor R2/s sangat besar. Cabang paralel rotor dan cabang
magnetisasi menjadi jXM di shunt dengan suatu hambatan yang sangat besar, dan
besarnya reaktansi cabang paralel karenanya sangat mendekati XM. Besar
reaktansi yang tampak Xnl yang diukur pada terminal stator pada keadaan tanpa
beban sangat mendekati X1 + XM, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator,
sehingga
Xnl = X1 + XM ............................................................................................2.2
Besarnya reaktansi diri stator ini dapat ditentukan dari pambacaan alat
ukur pada keadaan tanpa beban.
Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnl adalah :
R

k

=

...................................................................................................2.3

17

Pnl merupakan suplai daya tiga fase pada keadaan tanpa beban, maka besar
reaktansi tanpa beban
X

=

Z − R ......................................................................................2.4

Sewaktu pengujian tanpa beban, maka rangkaian ekivalen motor induksi
seperti gambar 2.1.

Gambar 2.1 Rangkaian ekuivalen motor induksi saat pengujian beban nol

2.2.5.2. Pengujian Hambatan Stator ( DC test )
Untuk menentukan besarnya hambatan stator (R1) maka dilakukan
pengujian dengan sumber daya searah (DC). Pada prinsipnya suatu tegangan
searah diberikan pada belitan stator motor induksi. Karena arus yang mengalir
pada stator adalah arus searah, maka tidak akan terjadi tegangan induksi pada
rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan
demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol. Oleh karena itu, arus yang
mengalir pada motor hanya dibatasi oleh hambatan stator saja. Untuk melakukan
pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai ratingnya dengan tujuan
untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang sama selama operasi
normal. Besarnya hambatan stator adalah :

k

18

R =

....................................................................................................2.5

Dengan diketahuinya nilai dari R1 maka rugi – rugi tembaga stator pada
tanpa beban dapat ditentukan, dan rugi – rugi rotasional dapat ditentukan sebagai
selisih dari daya input pada tanpa beban dan rugi – rugi tembaga stator.

2.2.5.3. Pengujian Rotor Tertahan (Block Rotor Test)
Pengujian ini dilakukan untuk menentukan parameter – parameter motor
induksi. Pengujian ini biasa juga disebut blocked rotor test. Pada pengujian ini
rotor dikunci / ditahan sehingga tidak berputar.
Untuk melakukan pengujian ini, tegangan bolak – balik dihubungkan
dengan belitan stator dan arus yang mengalir diatur sampai mendekati nilai arus
beban penuhnya. Ketika arus telah menunjukkan nilai beban penuhnya, kemudian
dilakukan pengukuran tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor.

k

DAFTAR PUSTAKA

Ahmed, T.; Ogura, K.; Soshin, K.; Hiraki, E.; Nakaoka, M., 2003, Small-Scale Wind Turbine
Coupled Single Phase Self-Excited Induction Generator with svc for Isolated
Renewable Energy Utilization. Proceedings of the 5th International Conference on
Power Electronics and Drive System, November 2003, vol. 1, pp. 781-786.
Asy’ari, H. dan Budiman, A., 2010, Evaluasi Pemanfaatan Storage Terhadap Kinerja
Generator Induksi Pada Sistem Pembangkit Tenaga Angin Untuk Beban Rumah
Tangga, Jurnal Penelitian Sains & Teknologi, Vol. 11, No. 2, 2010: 179 – 190
Bansal, R.C., 2005, Three-Phase Self-Excited Induction Generators: An Overview, IEEE
Transactions On Energy Conversion
C. Marinescu, C.P. Ion, 2009, Optimum Control for an Autonomous Micro Hydro Power
Plant with Induction Generator, IEEE.Romania.28Juni-2Juli 2009
Fukami T, Kaburaki Y, Kawahara S, Miyamoto T., 1999, Performance analysis of a selfregulated self-excited single phase induction generator using a three-phase machine".
IEEE Trans Energy Conver 1999;14(3):622–7.
Irianto,C.G., 2004, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai Generator: Penentuan
Nilai Kapasitor Untuk Penyedia Daya Reaktif, JETri, Volume 3, Nomor 2, Februari
2004, Halaman 1-16
Jayaramaiah, G.V.; Fernandes, B.G., 2006, Novel Voltage Controller for Stand-alone
Induction Generator using PWM-VSI. IEEE Industry Application Conference, October
2006, vol. 1, pp. 204-208
Murthy, S.S.; Rai, H.C.; Tandon, A.K., 1993, A novel self-excited selfregulated single-phase
induction generator Part I1: Experimental investigation. IEEE Trans. Energy Convers.,
1993, 8 (3), 383-388

60

61
Ouhrouche M.A. and Chaine Q.M., 1995, EMTP Based Study of Self Excitation
Phenomenon in an Induction Generator
S. Boora, 2010, Analysis of Self-Excited Induction Generator under Balanced or Unbalanced
Conditions, ACEEE Int. J. on Electrical and Power Engineering, Vol. 01, No. 03, Dec
2010
Supardi, A., 2009, Karakteristik Distorsi Harmonik Generator Induksi 3 Fase Tereksitasi Diri
dan Perancangan Filternya, Conference on Information Technology and Electrical
Engineering, Electrical Engineering Gadjah Mada University

k