Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri
Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri
1
1
2
1 F. Danang Wijaya , Yusuf Susilo W , Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS 1 2 Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
Email ; [email protected]
Abstract
Indonesia is an archipelago country which is located in tropical area. It has many renewable energy resources such as water and wind. These resources are scaterred around the country. These renewable energy resources can be conversed into electrical energy using induction generator as an isolated system. Induction generator can be selected because its has simple and robust construction, maintenance free, low cost and available in the local market. Generally, the induction generator is operated as an isolated system using self excitation (SEIG-Self Excited Induction Generator) which is produced by capacitor. In order to increase the capacity, paralel operation of the induction generator is applied. The aims of this research are to determaine the characteristic of SEIG, to analize parallel operation of SEIG and to develope practical paralel operation procedure. The research was done by simulation using software and then verified with experiment. The results showed that SEIG required capacitor as self excitation. In the paralel operation, they did not need special synchronization. The generators must be in negatif slip condition. Load sharing between two generators is determined by the rotary speed of the prime mover. Finally, based on the experiment the practical paralel operation procedure has been developed.
Keywords:induction generator, self excited , parallel operation, isolated system, renewable energy
membuat langkah implementasi yang aman melalui
1. Pendahuluan
Indonesia memiliki sumber energi terbarukan simulasi komputer dan pengujian praktek di khususnya air dan angin yang potensinya laboratorium. berfluktuasi sepanjang tahun, dan letaknya tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Sumber energi
2. Prinsip kerja MISG
terbarukan tersebut dapat dimanfaatkan sebagai Kecepatan medan putar di dalam motor induksi pembangkit listrik terisolasi atau tersambung ke dinyatakan oleh persamaan 1. jaringan listrik yang sudah ada dengan motor
(1) induksi sebagai generator (MISG) [1][2][3]. Motor induksi dipilih karena sederhana, mudah dirawat, dengan n : kecepatan medan putar, rpm
s mudah dioperasikan, mudah didapat, dan murah.
f : frekuensi sumber daya, Hz Potensi – potensi pembangkitan listrik tersebut, p : jumlah kutub motor induksi walaupun berkapasitas kecil, dapat dikembangkan menjadi potensi pengadaan listrik yang berkapasitas
Kecepatan putar rotor tidak sama dengan lebih besar, dengan cara memparalel MISG. kecepatan medan putar. Perbedaan tersebut
Implementasi MISG dalam dunia dinyatakan dengan slip. ketenagalistrikan dapat menjadi pilihan sebagai
(2) sumber tenaga listrik yang terisolasi, yakni dengan menggunakan generator induksi bereksitasi sendiri dengan s : Slip (self-excited induction generator-SEIG). n : kecepatan medan putar, rpm
s
Penggunaan SEIG dengan kapasitor sebagai sumber n : kecepatan putar rotor, rpm
r
eksitasi, terkadang memerlukan operasi paralel untuk memenuhi kebutuhan pembangkitan yang Motor induksi tiga fase dapat dioperasikan lebih besar. Penggunaan MISG dalam operasi sebagai generator dengan cara memutar rotor pada paralel memiliki beberapa keuntungan : kecepatan di atas kecepatan medan putar atau mesin 1. tidak memerlukan sinkronisasi. bekerja pada slip negatif [2]. 2. generator tidak harus bekerja pada kecepatan
Agar motor induksi dapat berfungsi sebagai sinkron tertentu. [1] generator maka diperlukan arus eksitasi. Pada MISG
Namun, pemaparan yang lebih lanjut dan yang bekerja stand alone diperlukan kapasitor untuk langkah praktis dalam pengimplementasian operasi membangkitkan arus eksitasi. Pada Gambar 1. paralel MISG masih sangat jarang ditemukan. diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada
Karakteristik operasi paralel perlu dipelajari lebih motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. lanjut untuk mendapatkan langkah praktis dalam
[2] kondisi lapangan. Penelitian ini dilakukan untuk meneliti karakteristik operasi paralel, menganalisis dan
Gambar 3 Diagram alir pengujian fisik. Pengujian simulasi menggunakan dua motor induksi tiga fase dengan kapasitas 5,5 kW 200 V. Sedangkan pada pengujian fisik menggunakan dua motor induksi tiga fase, dengan kapasitas 1,5 kW 220 V sebagai generator. Penggerak mula generator menggunakan dua motor DC dengan kapasitas 1 kW dan 1,2 kW. Kedua motor induksi dan motor DC tersebut dirangkai paralel, kemudian diuji berbeban dan tanpa beban.
Pada pengujian tanpa beban, akan didapatkan data
Gambar 2. Diagram alir pengujian simulasi.
2. menggambarkan proses pengujian menggunakan simulasi PSIM 9.0.3. sedangkan untuk pengujian fisik, menggunakan proses pada diagram alir Gambar 3.
Pengujian menggunakan dua metode, simulasi dan metode pengujian fisik. Gambar
3. Metodologi Penelitian
(9) (10)
(8) Dengan asumi keadaan tanpa beban MISG membutuhkan kapasitor untuk memenuhi kebutuhan reaktansi magnetisasi Xm, maka Xc yang akan digunakan sama dengan Xm. Sehingga, nilai kapasitor dapat dihitung dengan
(6) (7)
(4) (5)
dengan U= tegangan fase-fase (jika terhubung delta) f = frekuensi jaringan Q= daya reaktif yang dikompensasi Jika kapasitor terhubung bintang, kapasitans yang dibutuhkan per fase adalah tiga kali dari persamaan 3 [2][5].
Kapasitor Discharge Resistors Circuit Breaker Beban
(3)
2
3
2
C
U f Q phase per
Nilai kapasitor yang diperlukan oleh generator dinyatakan dengan rumus :
Gambar 1. Skema pemasangan kapasitor pada MISG
- tegangan antar fase V - arus fase I - daya masukan tiga fase . untuk, mencari nilai :
3.1. Unit beban pembangkitan yang tetap dengan beban yang terus
Pengujian fisik menggunakan beban resistif membesar. Dalam kondisi tersebut, nilai tegangan berupa lampu bohlam yang dipasang paralel, 3 fase turun. seimbang terhubung wye. Satu fase memiliki empat lampu 10W, satu lampu 15W, dan satu lampu 25W.
3.2. Unit eksitasi
Unit eksitasi yang digunakan merupakan kapasitor bank dengan tap changer, untuk menambah kapasitas kapasitor. Setiap tap memiliki kapasitas 17μF, 250VAR, dengan jumlah tap 4 tiap fase.
4. Hasil dan Pembahasan
4.1. Pengujian Simulasi
Gambar 5 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai Pengujian simulasi memberikan beberapa frekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi karakteristik operasi MISG. Dalam pengujian stand-alone. dilakukan pengujian operasi stand-alone dan pengujian paralel.
Gambar 5 memperlihatkan hasil simulasi pengaruh nilai perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip.
Gambar 4 Pengaruh perubahan kapasitas kapasior dalam kondisi stand-alone tanpa beban Gambar 6 Pengaruh perubahan beban terhadap
Pengujian tanpa beban melibatkan pengaruh nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi kapasitor terhadap besar tegangan keluaran operasi stand-alone. generator. Pengujian tanpa beban, baik dalam kondisi stand-alone dan paralel memiliki
Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6 karakterisitik sama, karena pada dasarnya dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangan melibatkan MISG dan kapasitor sebagai sumber sangat terpengaruh oleh perubahan beban. eksitasi. Gambar 4 menunjukan pengaruh kapasitor
Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai memberikan kenaikkan pada nilai tegangan. kapasitor yang tetap, memberikan kondisi
Semakin besar arus eksitasi yang diberikan pada pembangkitan yang tetap dengan beban yang terus MISG, semakin besar tegangan yang mampu membesar. Dalam kondisi tersebut, nilai tegangan dihasilkan oleh MISG tersebut. turun. Beban yang terus ditambahkan dalam sistem
Pengujian simulasi operasi paralel memberikan pembangkitan stand-alone mempengaruhi nilai hasil dengan karakteristik yang sama dengan frekuensi dan slip pada MISG. Semakin besar pengujian simulasi operasi stand-alone, seperti beban yang ditanggung, semakin turun frekuensi yang terlihat dalam Gambar 7 dan Gambar 8. Pada MISG, dan semakin minus nilai slip. pengujian penambahan beban aktif yang dilakukan
Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6 pada operasi stand-alone, nilai tegangan antar fase dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangan mengalami penurunan, hal yang sama terjadi ketika sangat terpengaruh oleh perubahan beban. terdapat dua generator induksi yang dioperasikan
Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai paralel, dalam keadaan operasi yang identik pada putar yang sama antara penggerak mula 1 dengan kedua MISG tersebut. penggerak mula 2, nilai beda fase dalam arus juga semakin besar.
Gambar 7 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi Gambar 9. Pengaruh perubahan beban terhadap paralel. nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi paralel.
Gambar 8 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai Gambar 10. Pengaruh perubahan beban terhadap tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi paralel. operasi paralel.
Pengujian simulasi selanjutnya melihat
4.2. Pengujian Fisik
karakterisitk perbedaan kecepatan putar penggerak Pengujian fisik memiliki tahapan operasi paralel mula antara MISG 1 dengan MISG 2. Pengujian ini sebagai berikut : dilakukan untuk simulasi dengan kondisi tidak ideal
1. Operasikan putaran penggerak mula Motor DC 1 yang seringkali akan ditemukan pada keadaan mendekati 1544 rpm. nyata. Pada pengujian, kecepatan penggerak mula 2. Operasikan nilai kapasitor 500 VAR per fase. MISG 2 dirancang untuk konstan, sedangkan pada
3. Naikkan sumber tegangan DC, agar putaran MISG 1 dirancang untuk terus naik sedikit demi penggerak mula Motor DC 1 meningkat, untuk sedikit. Nilai magnitude tegangan yang dihasilkan mendapatkan nilai slip yang lebih negatif. menjadi fungsi kecepatan putar MISG yang terus
4. Pada kecepatan rotor mencapai 1544 rpm, mesin berubah. Terdapat karakteristik pengaturan induksi 1 mengalami slip negatif dan kemudian tegangan dan frekuensi pada sistem operasi paralel beroperasi sebagai generator. MISG.
5. Sesuaikan kecepatan putar penggerak mula dan Hasil pengujian menunjukkan jika nilai besar kapasitor, untuk memperoleh tegangan frekuensi dan tegangan ikut meningkat, seiring 220 V 50 Hz. meningkatnya nilai kecepatan penggerak mula 1.
6. Operasikan penggerak mula Motor DC 2, putar Hal tersebut dapat menjadi acuan dalam dengan kecepatan sekitar 1522 rpm. meningkatkan nilai keceptan penggerak mula untuk
7. Tambahkan nilai kapasitor menjadi 750 VAR per memperbaiki profil tegangan ketika terdapat beban fase. Abaikan perubahan tegangan keluaran yang terus meningkat. MISG 1. Perbedaan kecepatan mempengaruhi nilai arus
8. Posisikan kontaktor 3 fase dalam keadaan keluaran sistem paralel MISG dengan melihat beda tertutup, sehingga MISG 1, MISG 2 dan fase dalam tabel. Semakin jauh dari nilai kecepatan kapasitor terhubung paralel.
9. Tambahkan kecepatan putar penggerak mula Motor DC 2 hingga slip motor induksi menjadi negatif.
10. Setelah slip mesin induksi 2 negatif, mesin induksi 2 menjadi MISG 2, kemudian lakukan pengaturan kecepatan penggerak mula Motor DC 1 dan penggerak mula Motor DC 2, serta atur nilai kapasitor bank pada nilai maksimal kapasitor, 1kVAR per fase untuk mendapatkan tegangan nominal fase-netral 220 V 50 Hz.
11. Setelah kedua motor induksi mampu menjadi generator, inputkan beban sedikit demi sedikit. Gambar 12. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai slip dalam pengujian fisik operasi paralel. Setelah pengujian fisik, kemudian dilakukan pengujian pada keadaan berbeban. Dari hasil pengujian fisik tersebut, semakin besar beban yang ditanggung oleh operasi paralel MISG, maka nilai kecepatan penggerak mula mengalami penurunan. Hasil yang sama terdapat pada besaran frekuensi dan tegangan keluaran. Hasil pengamatan terhadap tegangan, frekuensi, dan kecepatan putar penggerak mula memiliki karakteristik yang sama dengan hasil pengujian simulasi. Sehingga melalui kedua data tersebut, dapat dinyatakan bahwa nilai tegangan, frekuensi, dan kecepatan putar rotor dapat
Gambar 13. Pengaruh perubahan beban terhadap dipengaruhi oleh perubahan beban. Pengujian nilai tegangan dan frekuensi dalam pengujian fisik menunjukkan bahwa nilai slip kedua MISG masih operasi paralel. negatif dengan variasi kecepatan penggerak mula tersebut, menunjukkan bahwa kedua generator
Berdasarkan hasil pengujian berbeban tersebut, masih dapat terus menyuplai beban. terdapat kesesuaian antara pengujian simulasi
Pengujian berbeban memberikan gambar grafik dengan pengujian fisik, sehingga dapat diketahui sebagai berikut : untuk beban yang terus bertambah nilai frekuensi turun, nilai tegangan turun, kecepatan putar turun.
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi dan pengujian laboratorium, menghasilkan beberapa kesimpulan sebagai berikut.
1. Sebuah mesin induksi tiga fase beroperasi sebagai generator apabila : a. kecepatan putar rotor melebih kecepatan putar sinkron b. mengkonsumsi daya reaktif yang dicatu oleh kapasitor
2. Dua buah generator induksi dapat diparalel Gambar 11. Pengaruh perubahan beban terhadap apabila arah putaran penggerak mula dan arah nilai kecepatan putar penggerak mula dalam medan putar generator pertama dan kedua pengujian fisik operasi paralel. sama
3. Operasi paralel MISG tidak memerlukan sinkronisasi tegangan, urutan fase, dan frekuensi, seperti pada pengoperasian paralel generator sinkron.
4. Pembagian beban pada operasi paralel generator induksi dilakukan dengan membedakan besar kecepatan putar penggerak mula antara kedua generator.
5. Pengujian simulasi pada beban resistif Motors Used as Generators. Braunschweig: diperoleh: Deutsches Zentrum fur Entwicklungs a. nilai kapasitas kapasitor yang bertambah technologien. mempengaruhi peningkatan tegangan dan [3] Isnaeni B.S, M. (2005). Makalah, Motor arus keluaran generator. Induksi Sebagai Generator (MISG), Jurusan b. nilai kecepatan yang terus bertambah Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas mempengaruhi peningkatan nilai tegangan Gadjah Mada. keluaran dan frekuensi sistem MISG. [4] Jenkins, Nick dan Ron Allan, Peter Crossley, 6. Langkah – langkah praktis operasi paralel David Kirschen, Goran Strbac. (2000). generator induksi telah disusun. Embedded Generation. London: The Institution of Electrical Engineers.
[5] Ridho, Rizky, 2012, Rancang Bangun
Daftar Pustaka
[1] Al-Bahrani, Abdallah H. dan Nazar H. Malik. Simulator PLTMH Menggunakan Motor (1994). Parallel Operation of Self-excited Induksi Sebagai Generator (MSIG) yang
Induction Generators. Electrical Engineering Terhubung ke Jaringan, Tugas Akhir Teknik
Department, College of Engineering. King Elektro dan Teknologi Informasi, UGM Saud University, Riyadh, Saudi Arabia. Yogyakarta. [2] Chapallaz, J. M., Ghali, J. D., Eichenberger, P.,
& Fischer, G. (1992). Manual on Induction