Analisa Perbandingan Regulasi Tegangan Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Menggunakan Kapasitor Kompensasi dan Dengan Penambahan Induktor
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.Mesin Induksi
Mesin induksi ialah mesin listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetik. Mesin induksi bekerja berdasarkan perbedaan kecepatan putar
antara stator dan rotor. Apabila kecepatan putar stator sama dengan kecepatan
putar rotor ( =
), maka tidak ada tegangan yang terinduksi baik ke stator
maupun ke rotor. Apabila kecepatan putar stator lebih besar daripada kecepatan
rotor ( >
), maka tegangan akan terinduksi ke rotor sehingga mesin induksi
beroperasi sebagai motor listrik. Apabila kecepatan putar rotor lebih besar
daripada kecepatan putar rotor (
> ), maka tegangan akan terinduksi ke stator
sehingga mesin induksi akan beroperasi sebagai generator listrik. Perbedaan
kecepatan putar antara stator dan rotor dinamakan slip (S). Slip dinyatakan
dengan:
S=( -
)/
(2.1)
2.1.1.Karakteristik Mesin Induksi
Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut
Gambar 2.1 Grafik kurva karakteristik mesin induksi
5
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.1 dapat dijelaskan karakteristik dari mesin induksi. Mesin
induksi beroperasi sebagai motor atau generator dapat dilihat dari kecepatan
rotornya terhadap kecepatan sinkronnya. Kecepatan sinkron ialah kecepatan
medan putar yang terjadi pada statornya. Apabila kecepatan mesin induksi lebih
kecil dari kecepatan sinkronnya maka mesin induksi akan beroperasi sebagai
motor listrik. Pada keadaan ini maka mesin induksi akan mempunyai nilai torsi
yang positif sebanding dengan kecepatan motor induksi. Motor induksi dapat
berputar sampai kecepatan maksimum mendekati kecepatan sinkronnya dengan
nilai torsi yang dihasilkan semakin besar pula. Namun apabila pada kecepatan
maksimum mendapatkan bantuan putaran eksternal berupa prime mover sehingga
kecepatannya melebihi kecepatan sinkronnya, pada saat itu generator induksi akan
beroperasi sebagai generator. Semakin besar torsi yang yang diberikan semakin
besar pula daya yang dihasilkan. Torsi maksimum yang dapat diberikan pada
generator induksi dinamakan torka pushover. Apabila torsi yang diberikan lebih
besar dari torka pushover maka generator induksi akan mengalami overspeed.
2.1.2.Konstruksi Mesin Induksi
Mesin induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah
udara. Stator adalah bagian yang diam dan rotor adalah bagian yang bergerak
dalam bentuk putaran.Celah udara berada diantara stator dan rotor yang
merupakan tempat terjadinya proses induksi elektromagnetik.
(a)
(b)
Gambar 2.2 Konstruksi mesin induksi : (a) Sebenarnya (b) sederhana
6
Universitas Sumatera Utara
Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada Gambar 2.2
baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi sederhananya. Berikut
adalah penjelasan dari bagian-bagian konstruksi yang terdapat pada
mesin
induksi.
Stator
Gambar 2.3 Konstruksi stator mesin induksi
Stator adalah bagian terluar dari mesin yang merupakan gulungan kawat
yang disusun sedemikian rupa dan ditempatkan pada alur-alur inti besi. Bagian
stator dipisahkan dengan bagian rotor oleh celah udara yang sempit (air
gap). Bagian stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang
menjadi
tempat
belitan
dililitkan
yang
berbentuk silinder.
Alur
pada
tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas, tiap elemen laminasi inti
dibentuk dari lembaran besi. Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa
alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Kawat belitan
yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapisi dengan isolasi tipis.
Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silinder.
Konstruksi stator terdiri dari beberapa bagian yaitu:
1. Rumah stator (rangka stator)
2. Inti stator
7
Universitas Sumatera Utara
3. Alur, dimana alur ini merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan
stator).
4. Belitan (kumparan) stator.
Rangka stator mesin induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan
yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya.
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung
dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan objek
atau gangguan udara terbuka (cuaca luar).
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh karena
itu stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan goncangan.
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan
lebih efektif.
Rotor
Rotor adalah bagian dari mesin induksi yang bergerak dalam bentuk
putaran. Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat
dibagi menjadi dua jenis yaitu:
1. Mesin induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage).
2. Mesin induksi dengan rotor belitan (wound rotor ).
(a)
(b)
Gambar 2.4 Konstruksi rotor mesin induksi: (a) rotor belitan (b) rotor sangkar
8
Universitas Sumatera Utara
Rotor sangkar atau rotor kurungan (Squirrel Cage) adalah konstruksi dari
inti berlapis dengan konduktor dipasang paralel dengan poros dan mengelilingi
permukaan inti. Konduktornya tidak terisolasi dari inti karena arus motor secara
alamiah akan mengalir melalui tahanan yang paling kecil yaitu konduktor rotor.
Pada setiap ujung rotor, konduktor rotor semuanya dihubung singkat dengan
cincin ujung. Konduktor rotor dan cincin ujung serupa dengan sangkar tupai yang
berputar sehingga dinamakan demikian.
Pada
rotor ini terdapat juga alur-alur yang bentuknya lebih dalam
daripada alur-alur pada rotor sangkar. Dalam alur-alur terdapat kawat yang
dibelitkan pada sebuah rotor dengan
hubungan bintang ataupun hubungan
segitiga seperti belitan kawat pada stator. Dengan adanya hubungan ini, maka
belitan-belitan pada rotor mempunyai tiga ujung. Ujung belitan rotor dihubungkan
dengan suatu tahanan awal melalui tiga buah cincin geser yang ada pada poros.
Kemudian melalui cincin geser ini ujung-ujung kumparan jangkar dihubungkan
dengan tahanan luar atau dihubung singkat.
Konstruksi rotor mesin induksi terdiri atas beberapa bagian yaitu:
1. Inti rotor
2. Alur, Alur merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor.
3. Belitan rotor.
4. Poros atau as.
Celah udara
Diantara stator dan rotor terdapat ruang yang disebut celah udara. Pada
celah udara ini tempat berlangsungnya proses pengkonversian energi dalam
bentuk induksi elektromagnetis. Celah udara sangat mempengaruhi efesiensi dari
mesin induksi. Apabila celah udara besar, maka efisiensinya akan berkurang
karena proses induksi listrik membutuhkan energi yang besar. Apabila celah udara
sangat kecil, maka akan mengganggu perputaran rotor secara mekanis. Untuk itu
celah udara antara stator dan rotor harus diatur sedemikian rupa agar mesin
induksi dapat bekerja secara optimum
9
Universitas Sumatera Utara
Terminal box
Terminal box ialah tempat dihubungkannya mesin induksi dengan power
suplay (kondisi sebagai motor) atau tempat dihubungkannya mesin induksi
dengan beban (kondisi sebagai generator).
Kipas rotor
Pada saat mesin induksi beroperasi, mesin induksi menghasilkan rugi-rugi yaitu
energi yang terbuang dalam bentuk panas. Semakin lama mesin induksi bekerja
maka panas yang dihasilkan juga semakin besar. Hal itu akan mengganggu kinerja
dari mesin induksi dan dapat menimbulkan kerusakan pada mesin induksi. Untuk
itu pada rotor terdapat kipas yang dipasang seporos dengan rotor. Jadi pada saat
mesin induksi beroperasi dalam bentuk putaran maka kipaspun akan berputar
sehingga kipas dapat mengurangi panas yang ditimbulkan dari mesin induksi.
2.2.Generator Induksi
Generator induksi adalah mesin induksi yang bekerja sebagai generator,
dimana rotor yang digerakkan dalam bentuk putaran oleh penggerak mula
berputar lebih cepat daripada kecepatan medan putar pada stator (
> ) untuk
menghasilkan daya. Generator induksi digunakan untuk melayani beban listrik
yang kecil, umumnya dioperasikan sebagai generator pada pembangkit listrik
yang menggunakan energi terbarukan yang dioperasikan pada daerah terpencil
dimana kebutuhan listrk masih sedikit dan belum terdapat jaringan listrik. Hal itu
dikarenakan generator induksi masih dapat bekerja sebagai generator untuk
membangkitkan tegangan walaupun kecepatan penggerak mulanya tidak tetap dan
masukan daya reaktif yang diperlukannya tidak tetap.
Generator induksi memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan
generator yang lain, yaitu mudah ditemukan dipasaran, konstruksinya yang
sederhana, biaya mesin yang murah, mudah dalam perawatan dan mudah dalam
pengoprasian. Generator induksi juga memiliki beberapa kelemahan, salah
satunya adalah setiap perubahan pembebanan dan perubahan kecepatan putarnya
akan berpengaruh terhadap keluaran generator induksi tersebut. Untuk mengatasi
10
Universitas Sumatera Utara
permasalahan itu maka diperlukan adanya sebuah sistem kontrol yang bertujuan
untuk mengatur tegangan dan frekuensi hasil keluaran dari generator induksi.
2.2.1.Jenis Generator Induksi
Generator induksi tidak dapat membangkitkan tegangan jika tidak
mendapatkan suplai daya reaktif untuk eksitasinya. Eksitasi dibutuhkan untuk
menghasilkan medan magnet pada kumparan rotor yang nantinya akan
menginduksikan tegangan pada stator untuk menghasilkan energi listrik. Selain itu
eksitasi juga dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif yang diperlukan
generator untuk membangkitkan tegangan listrik. Generator induksi tidak dapat
memproduksi daya reaktifnya sendiri, untuk itu generator induksi akan menyerap
daya reaktif dari sistem jaringan listrik. Namun, mesin induksi biasanya
dioperasikan di daerah terpencil dimana di daerah seperti itu tidak terdapat
jaringan listrik. Oleh karena itu, generator induksi harus dapat memenuhi daya
reaktifnya sendiri untuk keperluan eksitasinya.
Berdasarkan eksitasinya tersebut generator induksi dibagi menjadi dua
jenis yaitu:
Generator induksi masukan ganda (Double Fed Induction Generator (DFIG))
Eksitasi pada generator induksi masukan ganda didapatkan dari jaringan
sistem yang telah terpasang. Generator jenis ini menyerap daya reaktif dari
jaringan listrik untuk memenuhi medan magnet yang dibutuhkan untuk
membangkitkan tegangan. Pada terminal generator ini dihubungkan dengan
inverter yang untuk selanjutnya akan dihubungkan langsung pada kumparan rotor
dari generator. Skema dari generator induksi masukan ganda ditunjukkan pada
Gambar 2.5.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Generator induksi masukan ganda
Pada Gambar 2.5 ini menunjukkan aplikasi penggunaan generator induksi
masukan ganda yang diputar oleh penggerak mula berupa turbin angin. Pada
generator jenis ini,
digunakan inverter untuk proses eksitasi. Pada inverter
inidigunakan dua konverter yaitukonverter AC-DC dan konverter DC-AC. Kedua
konverter ini saling terhubung dan dihubungkan dengan sumber arus searah yang
didapatkan dari kapasitor. konverter DC-AC (konverter pada sisi jaringan)
dihubungkan pada terminal generator yang juga terhubung pada jaringan sistem.
konverter ini bekerja pada frekuensi sistem yang berguna untuk menyerap daya
reaktif yang dibutuhkan oleh generator. konverter AC-DC (Konverter pada sisi
rotor) dihubungkan langsung pada kumparan rotor untuk prosses eksitasinya.
Konverter ini berfungsi untuk menyalurkan daya reaktif pada frekuensi yang
sesuai dengan frekuensi putaran dari rotor. Proses eksitasi seperti ini, daya reaktid
yang dibutuhkan dapat diatur sesuai dengan daya yang akan dibangkitkan.
Keuntungan menggunakan generator jenis ini ialah tegangan dan
frekuensinya akan tetap besarnya walaupun kecepatan putar penggerak mulanya
berubah-ubah. Namun pada generator jenis ini hanya dapat digunakan pada mesin
induksi dengan rotor belitan karena eksitasinya dihubungkan langsung pada
kumparan rotornya. Hal itu sangat mustahil bila menggunakan mesin induksi
dengan rotor sangkar tupai. Sehingga mesin induksi jenis yang lain tidak dapat
digunakan untuk generator induksi jenis ini. Generator jenis ini juga harus
terhubung dengan sistem dan membutuhkan inverter untuk dapat memenuhi
kebutuhan eksitasinya.
12
Universitas Sumatera Utara
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 2.6.
Gambar 2.6 Generator induksi berpenguatan sendiri
Dari gambar 2.6 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 titak 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.
13
Universitas Sumatera Utara
2.2.2.Rangkaian Ekivalen
Rangkaian ekivalen dari generator induksi dipandang dari sisi statornya
ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen generator induksi
Dimana:
= Resistansi stator
� = Reaktansi stator
= Resistansi rotor
� = Resistansi rotor
� = Reaktansi magnetisasi
= Resistansi magnetisasi
= Slip
2.2.3.Kelebihan dan Kekurangan Generator Induksi
Kelebihan dari generator induksi ialah sebagai berikut:
a. Ketersediaan
Motor induksi dapat ditemukan dengan mudah di pasaran dibandingkan dengan
generator sinkron. Motor induksi inilah digunakan sebagai generator induksi
14
Universitas Sumatera Utara
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 simpel. 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
c. Start motor
Motor lebih mudah distart dengan menggunakan generator sinkron
dibandingkan dengan generator induksi.
2.3.Generator Induksi Berpenguatan Sendiri
Pada
generator
induksi
berpenguatan
sendiri,
proses
eksitasinya
didapatkan dari kapasitor bank yang dihubungkan paralel pada terminal
15
Universitas Sumatera Utara
keluarannnya. Skema dari generator induksi berpenguatan sendiri dapat dilihat
pada Gambar 2.6 sebelumnya
Dari gambar 2.6 tersebut 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 listrik. 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 titak 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.
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
hampir sama seperti cara kerja mesin induksi yang beroperasi pada daerah saturasi
hanya saja terdapat kapasitor pada terminal.
2.3.1.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 2.9.
16
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri
Dimana:
= Resistansi stator
� = Reaktansi stator
= Resistansi rotor
� = Resistansi rotor
� = Reaktansi magnetisasi
= Resistansi magnetisasi
� = Reaktansi kapasitor eksitasi
= Slip
2.3.2.Prinsip Kerja
Prinsip kerja generator induksi berpenguatan sendiri dapat dijelaskan
dengan melihat Gambar 2.8. 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
17
Universitas Sumatera Utara
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 2.9. Kurva magnetisasinya ini merupakan
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 2.9 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri
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. 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°.
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
18
Universitas Sumatera Utara
dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa
untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan
pada Gambar 2.9. Tegangan terminal tanpa beban generator induksi berpenguatan
sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva magnetisasi sebagai
fungsi tegangan terminal generator dan kurva tegangan-arus kapasitor.
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.
Ketika generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan
medan yang ada pada rotor akan menghasilkan tegangan yang kecil. Timbulnya
tegangan ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif kapasitif sehingga
tegangan terminal menjadi naik. Tegangan yang makin besar memicu kembali
kapasitor mengalirkan arus kapasitif yang semakin besar pula. Begitu seterusnya
sampai tegangan generator induksi terbangkit sepenuhnya.
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.
19
Universitas Sumatera Utara
Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan
tegangan yang ditentukan.
2.4.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.
2.4.1.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.
2.4.2.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
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 (� ).
20
Universitas Sumatera Utara
Tegangan (V) yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi
dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil
� = ��
�
��
(2.1)
�
=
(2.2)
��
� = ��
(2.3)
Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai
reaktansi magnetisasi (� ) dengan memberikan catu daya pada (V) kemudian
mengukur besar arus magnetisasinya
� =
�
(2.4)
��
� = �� =
(2.5)
�
Subtitusikan persamaan 2.4 ke dalam persamaan 2.5.
�� =
�
�
=
�
�
I = ���V
C=
�
� �
(2.6)
Persamaan 2.6 ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila kapasitor
eksitasi dihubungkan secara bintang atau star .
�� =
�
� �
(2.7)
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.
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi
Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut:
�∆=√ �
�
∆
= � /√
�
∆
�
∆
=
∆
=
�
�
(2.8)
∆
=
(2.9)
� ∆
� ∆
√ �
�
/√
�
�
= 3�
(2.10)
Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut
C=
(2.11)
��
� =
(2.12)
�
Subtitusikan persamaan 2.12 pada persamaan 2.10
�
∆
∆�
=3�
=3(
�∆ =
�
(2.13)
22
Universitas Sumatera Utara
Dari persamanaan diatas kita dapat menentukan nilai kapasitansi minimum
dari generator induksi. Namun perlu diperhatikan ialah pada saat kondisi beban
nol arus magnetisasi (� ) yang terukur masih dipengaruhi oleh reaktansi
magnetisasi stator (� ) dan tahanan kumparan stator. Untuk itu diperlukan
percobaan lain untuk mendapatkan nilai reaktansi magnetisasi (� ) yang lebih
presisi. Percobaan yang dapat dilakukan ialah dengan melakukan percobaan
hubung singkat dan percobaan arus searah.
2.5.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.
Ada banyak cara untuk mengatasi kekurangan yang terdapat pada
kapasitor bank. Salah satu caranya ialah dengan menambahkan kapasitor
kompensasi pada bagian saluran distribusi menuju beban atau dengan cara
menambahkan
induktor
kompensasi
yang
diserikan
terhadap
kapasitor
23
Universitas Sumatera Utara
kompensasi tersebut sehingga bekerja sebagai filter tegangan menuju ke beban
agar tegangan yang dihasilkan lebih stabil.
2.5.1. Kapasitor Kompensasi
Kapasitor merupakan suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam
medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari
muatan listrik. Pada umumnya beban pada jaringan listrik adalah beban induktif.
Contoh beberapa beban induktif yang ada di sebuah jaringan listrik, seperti heater,
neon, motor listrik, dan lain lain. Sehingga beban listrik kebanyakan adalah beban
inductive.Untuk menghilangkan/ mengurangi komponen daya inductive ini
diperlukan kompensator yaitu capacitor/ capacitor bank. Kapasitor bank adalah
peralatan listrik yang bersifat kapasitif sebagai penyeimbang sifat induktif.
Gambar 2.11 Konstruksi kapasitor
Dasar perhitungan besarnya nilai kapasitor kompensasi ditentukan
berdasarkan data name plate motor induksi tiga fasa, yaitu daya, tegangan, arus,
factor daya, dan besar putaran (Wasimudin Surya S).
= √ ×�×�×�
=√ ×�×�
= √
−
�
(2.14)
(2.15)
(2.16)
Daya reaktif untuk perhitungan per phasa = Qc/3
�� =
�
�
(2.17)
24
Universitas Sumatera Utara
�=
.�. .��
(2.18)
Dimana :
Xc = Reaktansi yang diperlukan
C = Kapasitor yang diperlukan
F = Frekuensi yang dibutuhkan
2.5.2. Induktor Kompensasi
Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif
(kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet
yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk
menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry.
Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi
kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat di dalam
kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu
komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan
tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses
arus bolak-balik.Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi
atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada
kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena
resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat
menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya
pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya di dalam
inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas
karena penjenuhan.
Nilai Induktansi sebuah Induktor (Coil) tergantung pada 4 faktor, diantaranya
adalah :
Jumlah Lilitan, semakin banyak lilitannya semakin tinggi Induktasinya
Diameter Induktor, Semakin besar diameternya semakin tinggi pula
induktansinya
25
Universitas Sumatera Utara
Permeabilitas Inti, yaitu bahan Inti yang digunakan seperti Udara, Besi
ataupun Ferit.
Ukuran Panjang Induktor, semakin pendek inductor (Koil) tersebut
semakin tinggi induktansinya.
Jenis-jenis Induktor (Coil)
Berdasarkan bentuk dan bahan inti-nya, Induktor dapat dibagi menjadi beberapa
jenis, diantaranya adalah :
Air Core Inductor – Menggunakan Udara sebagai Intinya
Iron Core Inductor – Menggunakan bahan Besi sebagai Intinya
Ferrite Core Inductor – Menggunakan bahan Ferit sebagai Intinya
Torroidal Core Inductor – Menggunakan Inti yang berbentuk O Ring
(bentuk Donat)
Laminated Core Induction – Menggunakan Inti yang terdiri dari beberapa
lapis lempengan logam yang ditempelkan secara paralel. Masing-masing
lempengan logam diberikan Isolator.
Variable Inductor – Induktor yang nilai induktansinya dapat diatur sesuai
dengan keinginan. Inti dari Variable Inductor pada umumnya terbuat dari
bahan Ferit yang dapat diputar-putar.
Fungsi Induktor (Coil) dan Aplikasinya
Fungsi-fungsi Induktor atau Coil diantaranya adalah dapat menyimpan
arus listrik dalam medan magnet, menapis (Filter) Frekuensi tertentu, menahan
arus bolak-balik (AC), meneruskan arus searah (DC) dan pembangkit getaran
serta melipatgandakan tegangan.
Berdasarkan Fungsi diatas, Induktor atau Coil ini pada umumnya diaplikasikan :
Sebagai Filter dalam Rangkaian yang berkaitan dengan Frekuensi
Transformator (Transformer)
Motor Listrik
Solenoid
26
Universitas Sumatera Utara
Relay
Speaker
Microphone
Gambar 2.12 Symbol induktor
Reaktansi filter L yang kita pilih adalah nilai yang tertinggi dari
pengukuran nilai harmonisa. Besar nilai reaktansi induktif filter yaitu :
�� =
��
.
(2.19)
Besar nilia L yaitu :
�=
��
�
(2.20)
27
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.Mesin Induksi
Mesin induksi ialah mesin listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetik. Mesin induksi bekerja berdasarkan perbedaan kecepatan putar
antara stator dan rotor. Apabila kecepatan putar stator sama dengan kecepatan
putar rotor ( =
), maka tidak ada tegangan yang terinduksi baik ke stator
maupun ke rotor. Apabila kecepatan putar stator lebih besar daripada kecepatan
rotor ( >
), maka tegangan akan terinduksi ke rotor sehingga mesin induksi
beroperasi sebagai motor listrik. Apabila kecepatan putar rotor lebih besar
daripada kecepatan putar rotor (
> ), maka tegangan akan terinduksi ke stator
sehingga mesin induksi akan beroperasi sebagai generator listrik. Perbedaan
kecepatan putar antara stator dan rotor dinamakan slip (S). Slip dinyatakan
dengan:
S=( -
)/
(2.1)
2.1.1.Karakteristik Mesin Induksi
Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut
Gambar 2.1 Grafik kurva karakteristik mesin induksi
5
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 2.1 dapat dijelaskan karakteristik dari mesin induksi. Mesin
induksi beroperasi sebagai motor atau generator dapat dilihat dari kecepatan
rotornya terhadap kecepatan sinkronnya. Kecepatan sinkron ialah kecepatan
medan putar yang terjadi pada statornya. Apabila kecepatan mesin induksi lebih
kecil dari kecepatan sinkronnya maka mesin induksi akan beroperasi sebagai
motor listrik. Pada keadaan ini maka mesin induksi akan mempunyai nilai torsi
yang positif sebanding dengan kecepatan motor induksi. Motor induksi dapat
berputar sampai kecepatan maksimum mendekati kecepatan sinkronnya dengan
nilai torsi yang dihasilkan semakin besar pula. Namun apabila pada kecepatan
maksimum mendapatkan bantuan putaran eksternal berupa prime mover sehingga
kecepatannya melebihi kecepatan sinkronnya, pada saat itu generator induksi akan
beroperasi sebagai generator. Semakin besar torsi yang yang diberikan semakin
besar pula daya yang dihasilkan. Torsi maksimum yang dapat diberikan pada
generator induksi dinamakan torka pushover. Apabila torsi yang diberikan lebih
besar dari torka pushover maka generator induksi akan mengalami overspeed.
2.1.2.Konstruksi Mesin Induksi
Mesin induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah
udara. Stator adalah bagian yang diam dan rotor adalah bagian yang bergerak
dalam bentuk putaran.Celah udara berada diantara stator dan rotor yang
merupakan tempat terjadinya proses induksi elektromagnetik.
(a)
(b)
Gambar 2.2 Konstruksi mesin induksi : (a) Sebenarnya (b) sederhana
6
Universitas Sumatera Utara
Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada Gambar 2.2
baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi sederhananya. Berikut
adalah penjelasan dari bagian-bagian konstruksi yang terdapat pada
mesin
induksi.
Stator
Gambar 2.3 Konstruksi stator mesin induksi
Stator adalah bagian terluar dari mesin yang merupakan gulungan kawat
yang disusun sedemikian rupa dan ditempatkan pada alur-alur inti besi. Bagian
stator dipisahkan dengan bagian rotor oleh celah udara yang sempit (air
gap). Bagian stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang
menjadi
tempat
belitan
dililitkan
yang
berbentuk silinder.
Alur
pada
tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas, tiap elemen laminasi inti
dibentuk dari lembaran besi. Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa
alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Kawat belitan
yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapisi dengan isolasi tipis.
Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silinder.
Konstruksi stator terdiri dari beberapa bagian yaitu:
1. Rumah stator (rangka stator)
2. Inti stator
7
Universitas Sumatera Utara
3. Alur, dimana alur ini merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan
stator).
4. Belitan (kumparan) stator.
Rangka stator mesin induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan
yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya.
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung
dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan objek
atau gangguan udara terbuka (cuaca luar).
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh karena
itu stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan goncangan.
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan
lebih efektif.
Rotor
Rotor adalah bagian dari mesin induksi yang bergerak dalam bentuk
putaran. Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat
dibagi menjadi dua jenis yaitu:
1. Mesin induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage).
2. Mesin induksi dengan rotor belitan (wound rotor ).
(a)
(b)
Gambar 2.4 Konstruksi rotor mesin induksi: (a) rotor belitan (b) rotor sangkar
8
Universitas Sumatera Utara
Rotor sangkar atau rotor kurungan (Squirrel Cage) adalah konstruksi dari
inti berlapis dengan konduktor dipasang paralel dengan poros dan mengelilingi
permukaan inti. Konduktornya tidak terisolasi dari inti karena arus motor secara
alamiah akan mengalir melalui tahanan yang paling kecil yaitu konduktor rotor.
Pada setiap ujung rotor, konduktor rotor semuanya dihubung singkat dengan
cincin ujung. Konduktor rotor dan cincin ujung serupa dengan sangkar tupai yang
berputar sehingga dinamakan demikian.
Pada
rotor ini terdapat juga alur-alur yang bentuknya lebih dalam
daripada alur-alur pada rotor sangkar. Dalam alur-alur terdapat kawat yang
dibelitkan pada sebuah rotor dengan
hubungan bintang ataupun hubungan
segitiga seperti belitan kawat pada stator. Dengan adanya hubungan ini, maka
belitan-belitan pada rotor mempunyai tiga ujung. Ujung belitan rotor dihubungkan
dengan suatu tahanan awal melalui tiga buah cincin geser yang ada pada poros.
Kemudian melalui cincin geser ini ujung-ujung kumparan jangkar dihubungkan
dengan tahanan luar atau dihubung singkat.
Konstruksi rotor mesin induksi terdiri atas beberapa bagian yaitu:
1. Inti rotor
2. Alur, Alur merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor.
3. Belitan rotor.
4. Poros atau as.
Celah udara
Diantara stator dan rotor terdapat ruang yang disebut celah udara. Pada
celah udara ini tempat berlangsungnya proses pengkonversian energi dalam
bentuk induksi elektromagnetis. Celah udara sangat mempengaruhi efesiensi dari
mesin induksi. Apabila celah udara besar, maka efisiensinya akan berkurang
karena proses induksi listrik membutuhkan energi yang besar. Apabila celah udara
sangat kecil, maka akan mengganggu perputaran rotor secara mekanis. Untuk itu
celah udara antara stator dan rotor harus diatur sedemikian rupa agar mesin
induksi dapat bekerja secara optimum
9
Universitas Sumatera Utara
Terminal box
Terminal box ialah tempat dihubungkannya mesin induksi dengan power
suplay (kondisi sebagai motor) atau tempat dihubungkannya mesin induksi
dengan beban (kondisi sebagai generator).
Kipas rotor
Pada saat mesin induksi beroperasi, mesin induksi menghasilkan rugi-rugi yaitu
energi yang terbuang dalam bentuk panas. Semakin lama mesin induksi bekerja
maka panas yang dihasilkan juga semakin besar. Hal itu akan mengganggu kinerja
dari mesin induksi dan dapat menimbulkan kerusakan pada mesin induksi. Untuk
itu pada rotor terdapat kipas yang dipasang seporos dengan rotor. Jadi pada saat
mesin induksi beroperasi dalam bentuk putaran maka kipaspun akan berputar
sehingga kipas dapat mengurangi panas yang ditimbulkan dari mesin induksi.
2.2.Generator Induksi
Generator induksi adalah mesin induksi yang bekerja sebagai generator,
dimana rotor yang digerakkan dalam bentuk putaran oleh penggerak mula
berputar lebih cepat daripada kecepatan medan putar pada stator (
> ) untuk
menghasilkan daya. Generator induksi digunakan untuk melayani beban listrik
yang kecil, umumnya dioperasikan sebagai generator pada pembangkit listrik
yang menggunakan energi terbarukan yang dioperasikan pada daerah terpencil
dimana kebutuhan listrk masih sedikit dan belum terdapat jaringan listrik. Hal itu
dikarenakan generator induksi masih dapat bekerja sebagai generator untuk
membangkitkan tegangan walaupun kecepatan penggerak mulanya tidak tetap dan
masukan daya reaktif yang diperlukannya tidak tetap.
Generator induksi memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan
generator yang lain, yaitu mudah ditemukan dipasaran, konstruksinya yang
sederhana, biaya mesin yang murah, mudah dalam perawatan dan mudah dalam
pengoprasian. Generator induksi juga memiliki beberapa kelemahan, salah
satunya adalah setiap perubahan pembebanan dan perubahan kecepatan putarnya
akan berpengaruh terhadap keluaran generator induksi tersebut. Untuk mengatasi
10
Universitas Sumatera Utara
permasalahan itu maka diperlukan adanya sebuah sistem kontrol yang bertujuan
untuk mengatur tegangan dan frekuensi hasil keluaran dari generator induksi.
2.2.1.Jenis Generator Induksi
Generator induksi tidak dapat membangkitkan tegangan jika tidak
mendapatkan suplai daya reaktif untuk eksitasinya. Eksitasi dibutuhkan untuk
menghasilkan medan magnet pada kumparan rotor yang nantinya akan
menginduksikan tegangan pada stator untuk menghasilkan energi listrik. Selain itu
eksitasi juga dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif yang diperlukan
generator untuk membangkitkan tegangan listrik. Generator induksi tidak dapat
memproduksi daya reaktifnya sendiri, untuk itu generator induksi akan menyerap
daya reaktif dari sistem jaringan listrik. Namun, mesin induksi biasanya
dioperasikan di daerah terpencil dimana di daerah seperti itu tidak terdapat
jaringan listrik. Oleh karena itu, generator induksi harus dapat memenuhi daya
reaktifnya sendiri untuk keperluan eksitasinya.
Berdasarkan eksitasinya tersebut generator induksi dibagi menjadi dua
jenis yaitu:
Generator induksi masukan ganda (Double Fed Induction Generator (DFIG))
Eksitasi pada generator induksi masukan ganda didapatkan dari jaringan
sistem yang telah terpasang. Generator jenis ini menyerap daya reaktif dari
jaringan listrik untuk memenuhi medan magnet yang dibutuhkan untuk
membangkitkan tegangan. Pada terminal generator ini dihubungkan dengan
inverter yang untuk selanjutnya akan dihubungkan langsung pada kumparan rotor
dari generator. Skema dari generator induksi masukan ganda ditunjukkan pada
Gambar 2.5.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Generator induksi masukan ganda
Pada Gambar 2.5 ini menunjukkan aplikasi penggunaan generator induksi
masukan ganda yang diputar oleh penggerak mula berupa turbin angin. Pada
generator jenis ini,
digunakan inverter untuk proses eksitasi. Pada inverter
inidigunakan dua konverter yaitukonverter AC-DC dan konverter DC-AC. Kedua
konverter ini saling terhubung dan dihubungkan dengan sumber arus searah yang
didapatkan dari kapasitor. konverter DC-AC (konverter pada sisi jaringan)
dihubungkan pada terminal generator yang juga terhubung pada jaringan sistem.
konverter ini bekerja pada frekuensi sistem yang berguna untuk menyerap daya
reaktif yang dibutuhkan oleh generator. konverter AC-DC (Konverter pada sisi
rotor) dihubungkan langsung pada kumparan rotor untuk prosses eksitasinya.
Konverter ini berfungsi untuk menyalurkan daya reaktif pada frekuensi yang
sesuai dengan frekuensi putaran dari rotor. Proses eksitasi seperti ini, daya reaktid
yang dibutuhkan dapat diatur sesuai dengan daya yang akan dibangkitkan.
Keuntungan menggunakan generator jenis ini ialah tegangan dan
frekuensinya akan tetap besarnya walaupun kecepatan putar penggerak mulanya
berubah-ubah. Namun pada generator jenis ini hanya dapat digunakan pada mesin
induksi dengan rotor belitan karena eksitasinya dihubungkan langsung pada
kumparan rotornya. Hal itu sangat mustahil bila menggunakan mesin induksi
dengan rotor sangkar tupai. Sehingga mesin induksi jenis yang lain tidak dapat
digunakan untuk generator induksi jenis ini. Generator jenis ini juga harus
terhubung dengan sistem dan membutuhkan inverter untuk dapat memenuhi
kebutuhan eksitasinya.
12
Universitas Sumatera Utara
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 2.6.
Gambar 2.6 Generator induksi berpenguatan sendiri
Dari gambar 2.6 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 titak 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.
13
Universitas Sumatera Utara
2.2.2.Rangkaian Ekivalen
Rangkaian ekivalen dari generator induksi dipandang dari sisi statornya
ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen generator induksi
Dimana:
= Resistansi stator
� = Reaktansi stator
= Resistansi rotor
� = Resistansi rotor
� = Reaktansi magnetisasi
= Resistansi magnetisasi
= Slip
2.2.3.Kelebihan dan Kekurangan Generator Induksi
Kelebihan dari generator induksi ialah sebagai berikut:
a. Ketersediaan
Motor induksi dapat ditemukan dengan mudah di pasaran dibandingkan dengan
generator sinkron. Motor induksi inilah digunakan sebagai generator induksi
14
Universitas Sumatera Utara
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 simpel. 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
c. Start motor
Motor lebih mudah distart dengan menggunakan generator sinkron
dibandingkan dengan generator induksi.
2.3.Generator Induksi Berpenguatan Sendiri
Pada
generator
induksi
berpenguatan
sendiri,
proses
eksitasinya
didapatkan dari kapasitor bank yang dihubungkan paralel pada terminal
15
Universitas Sumatera Utara
keluarannnya. Skema dari generator induksi berpenguatan sendiri dapat dilihat
pada Gambar 2.6 sebelumnya
Dari gambar 2.6 tersebut 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 listrik. 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 titak 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.
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
hampir sama seperti cara kerja mesin induksi yang beroperasi pada daerah saturasi
hanya saja terdapat kapasitor pada terminal.
2.3.1.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 2.9.
16
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri
Dimana:
= Resistansi stator
� = Reaktansi stator
= Resistansi rotor
� = Resistansi rotor
� = Reaktansi magnetisasi
= Resistansi magnetisasi
� = Reaktansi kapasitor eksitasi
= Slip
2.3.2.Prinsip Kerja
Prinsip kerja generator induksi berpenguatan sendiri dapat dijelaskan
dengan melihat Gambar 2.8. 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
17
Universitas Sumatera Utara
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 2.9. Kurva magnetisasinya ini merupakan
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 2.9 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri
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. 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°.
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
18
Universitas Sumatera Utara
dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa
untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan
pada Gambar 2.9. Tegangan terminal tanpa beban generator induksi berpenguatan
sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva magnetisasi sebagai
fungsi tegangan terminal generator dan kurva tegangan-arus kapasitor.
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.
Ketika generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan
medan yang ada pada rotor akan menghasilkan tegangan yang kecil. Timbulnya
tegangan ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif kapasitif sehingga
tegangan terminal menjadi naik. Tegangan yang makin besar memicu kembali
kapasitor mengalirkan arus kapasitif yang semakin besar pula. Begitu seterusnya
sampai tegangan generator induksi terbangkit sepenuhnya.
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.
19
Universitas Sumatera Utara
Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan
tegangan yang ditentukan.
2.4.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.
2.4.1.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.
2.4.2.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
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 (� ).
20
Universitas Sumatera Utara
Tegangan (V) yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi
dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil
� = ��
�
��
(2.1)
�
=
(2.2)
��
� = ��
(2.3)
Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai
reaktansi magnetisasi (� ) dengan memberikan catu daya pada (V) kemudian
mengukur besar arus magnetisasinya
� =
�
(2.4)
��
� = �� =
(2.5)
�
Subtitusikan persamaan 2.4 ke dalam persamaan 2.5.
�� =
�
�
=
�
�
I = ���V
C=
�
� �
(2.6)
Persamaan 2.6 ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila kapasitor
eksitasi dihubungkan secara bintang atau star .
�� =
�
� �
(2.7)
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.
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi
Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut:
�∆=√ �
�
∆
= � /√
�
∆
�
∆
=
∆
=
�
�
(2.8)
∆
=
(2.9)
� ∆
� ∆
√ �
�
/√
�
�
= 3�
(2.10)
Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut
C=
(2.11)
��
� =
(2.12)
�
Subtitusikan persamaan 2.12 pada persamaan 2.10
�
∆
∆�
=3�
=3(
�∆ =
�
(2.13)
22
Universitas Sumatera Utara
Dari persamanaan diatas kita dapat menentukan nilai kapasitansi minimum
dari generator induksi. Namun perlu diperhatikan ialah pada saat kondisi beban
nol arus magnetisasi (� ) yang terukur masih dipengaruhi oleh reaktansi
magnetisasi stator (� ) dan tahanan kumparan stator. Untuk itu diperlukan
percobaan lain untuk mendapatkan nilai reaktansi magnetisasi (� ) yang lebih
presisi. Percobaan yang dapat dilakukan ialah dengan melakukan percobaan
hubung singkat dan percobaan arus searah.
2.5.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.
Ada banyak cara untuk mengatasi kekurangan yang terdapat pada
kapasitor bank. Salah satu caranya ialah dengan menambahkan kapasitor
kompensasi pada bagian saluran distribusi menuju beban atau dengan cara
menambahkan
induktor
kompensasi
yang
diserikan
terhadap
kapasitor
23
Universitas Sumatera Utara
kompensasi tersebut sehingga bekerja sebagai filter tegangan menuju ke beban
agar tegangan yang dihasilkan lebih stabil.
2.5.1. Kapasitor Kompensasi
Kapasitor merupakan suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam
medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari
muatan listrik. Pada umumnya beban pada jaringan listrik adalah beban induktif.
Contoh beberapa beban induktif yang ada di sebuah jaringan listrik, seperti heater,
neon, motor listrik, dan lain lain. Sehingga beban listrik kebanyakan adalah beban
inductive.Untuk menghilangkan/ mengurangi komponen daya inductive ini
diperlukan kompensator yaitu capacitor/ capacitor bank. Kapasitor bank adalah
peralatan listrik yang bersifat kapasitif sebagai penyeimbang sifat induktif.
Gambar 2.11 Konstruksi kapasitor
Dasar perhitungan besarnya nilai kapasitor kompensasi ditentukan
berdasarkan data name plate motor induksi tiga fasa, yaitu daya, tegangan, arus,
factor daya, dan besar putaran (Wasimudin Surya S).
= √ ×�×�×�
=√ ×�×�
= √
−
�
(2.14)
(2.15)
(2.16)
Daya reaktif untuk perhitungan per phasa = Qc/3
�� =
�
�
(2.17)
24
Universitas Sumatera Utara
�=
.�. .��
(2.18)
Dimana :
Xc = Reaktansi yang diperlukan
C = Kapasitor yang diperlukan
F = Frekuensi yang dibutuhkan
2.5.2. Induktor Kompensasi
Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif
(kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet
yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk
menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry.
Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi
kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat di dalam
kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu
komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan
tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses
arus bolak-balik.Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi
atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada
kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena
resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat
menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya
pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya di dalam
inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas
karena penjenuhan.
Nilai Induktansi sebuah Induktor (Coil) tergantung pada 4 faktor, diantaranya
adalah :
Jumlah Lilitan, semakin banyak lilitannya semakin tinggi Induktasinya
Diameter Induktor, Semakin besar diameternya semakin tinggi pula
induktansinya
25
Universitas Sumatera Utara
Permeabilitas Inti, yaitu bahan Inti yang digunakan seperti Udara, Besi
ataupun Ferit.
Ukuran Panjang Induktor, semakin pendek inductor (Koil) tersebut
semakin tinggi induktansinya.
Jenis-jenis Induktor (Coil)
Berdasarkan bentuk dan bahan inti-nya, Induktor dapat dibagi menjadi beberapa
jenis, diantaranya adalah :
Air Core Inductor – Menggunakan Udara sebagai Intinya
Iron Core Inductor – Menggunakan bahan Besi sebagai Intinya
Ferrite Core Inductor – Menggunakan bahan Ferit sebagai Intinya
Torroidal Core Inductor – Menggunakan Inti yang berbentuk O Ring
(bentuk Donat)
Laminated Core Induction – Menggunakan Inti yang terdiri dari beberapa
lapis lempengan logam yang ditempelkan secara paralel. Masing-masing
lempengan logam diberikan Isolator.
Variable Inductor – Induktor yang nilai induktansinya dapat diatur sesuai
dengan keinginan. Inti dari Variable Inductor pada umumnya terbuat dari
bahan Ferit yang dapat diputar-putar.
Fungsi Induktor (Coil) dan Aplikasinya
Fungsi-fungsi Induktor atau Coil diantaranya adalah dapat menyimpan
arus listrik dalam medan magnet, menapis (Filter) Frekuensi tertentu, menahan
arus bolak-balik (AC), meneruskan arus searah (DC) dan pembangkit getaran
serta melipatgandakan tegangan.
Berdasarkan Fungsi diatas, Induktor atau Coil ini pada umumnya diaplikasikan :
Sebagai Filter dalam Rangkaian yang berkaitan dengan Frekuensi
Transformator (Transformer)
Motor Listrik
Solenoid
26
Universitas Sumatera Utara
Relay
Speaker
Microphone
Gambar 2.12 Symbol induktor
Reaktansi filter L yang kita pilih adalah nilai yang tertinggi dari
pengukuran nilai harmonisa. Besar nilai reaktansi induktif filter yaitu :
�� =
��
.
(2.19)
Besar nilia L yaitu :
�=
��
�
(2.20)
27
Universitas Sumatera Utara