Pengaruh Eksitasi Satu Phasa Terbuka Terhadap Tegangan Yang Dihasilkan Generator Induksi
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
Mesin induksi ialah mesin yang 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:
(2.1)
S= (
2.2 Konstruksi Generator Induksi
Secara umum konstruksi mesin induksi baik generator maupun motor
sama. Generator induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah
udara. Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada gambar 2.1
dibawah ini baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi
sederhananya.
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi mesin induksi
2.2.1
Stator
Gambar 2.2 konstruksi stator generator 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
5
Universitas Sumatera Utara
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
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.
2.2.2
Rotor
Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar dan letaknya pada bagian
dalam. Pada mesin induksi terdapat dua tipe rotor yang berbeda yaitu rotor
sangkar tupai dan rotor belitan. Kedua tipe rotor ini menggunakan laminasi
melingkar yang terikat erat pada poros. Penampang rotor sangkar tupai memiliki
6
Universitas Sumatera Utara
konstruksi yang sederhana. Batang rotor dan cincin ujung sangkar tupai yang
kecil merupakan coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti
rotor. Pada motor yang lebih besar, batang rotor dibenamkan dalam alur rotor dan
kemudian di las dengan kuat ke cincin ujung. Apabila dilihat tanpa inti rotor,
maka batang rotor ini kelihatan seperti kandang tupai.oleh karena itu motor
induksi dengan rotor sangkar tupai dinamakan motor induksi sangkar tupai.
Gambar 2.3 konstruksi rotor mesin induksi
(a) rotor sangkar
(b) rotor belitan
7
Universitas Sumatera Utara
2.3 Karakteristik Mesin Induksi
Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut
Gambar 2.4 grafik kurva karakteristik mesin induksi
Dari Gambar 2.4 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
8
Universitas Sumatera Utara
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.
2.4 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri
Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat mesin induksi
bekerja sebagai motor. Dimana ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan
stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul medan putar dengan
kecepatan sinkron (ns). Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor
motor diputar oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada
kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didalam medan magnet
(kumparan stator) akan membangkitkan tegangan sebesar
e = B.l.v
Dimana :
e = tegangan induksi yang dihasilkan (volt)
B = fluks magnetik (weber)
l = panjang konduktor yang dilewati medan magnet (m)
v = kecepatan medan magnet melewati konduktor (m/s)
dan bila dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus. 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.
Generator induksi berpenguatan sendiri menggunakan kapasitor bank
sebagai penyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk membangkitkan
tegangan. Seperti yang terlihat pada gambar 2.5, generator induksi menggunakan
kapasitor
bank
menyuplai
daya
reaktif
yang
dibutuhkan
generator.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Prinsip kerja generator induksi
Kapasitansi dari kapasitor harus sesuai dengan daya reaktif yang
dibutuhkan. Besarnya daya reaktif yang dibutuhkan generator dapat ditinjau dari
besar arus magnetisasi (
) untuk proses eksitasi. Arus magnetisasi (
) yang
dibutuhkan dapat dicari dengan mengoperasi mesin induksi sebagai motor induksi
pada keadaan tanpa beban dan mengukur tegangan statornya sebagai fungsi
tegangan terminal generator. Penentuan nilai kapasitansi minimum yang
dibutuhkan generator akan dijelaskan pada bab berikutnya. Kurva magnetisasi
mesin induksi ditunjukkan pada gambar 2.6. Kurva magnetisasinya ini
menrupakan plot tegangan terminal generator induksi sebagai fungsi arus
magnetisasi. Untuk mencapai level tegangan yang diinginkan, maka kapasitor
sebagai penyuplai daya reaktifnya harus dapat menyuplai arus magnetisasi yang
dibutuhkan pada level tegangan tersebut.
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Kurva magnetisasi mesin induksi
Gambar 2.7 Kurva tegangan vs arus pada kapasitor bank
Arus reaktif yang dihasilkan oleh sebuah kapasitor berbanding lurus
dengan tegangan yang diberikan padanya, Untuk itu semua kemungkinan
kombinasi tegangan dan arus yang melalui kapasitor berupa garis lurus. Jadi kurva
tegangan vs arus dari sebuah kapasitor dapat digambarkan seperti pada Gambar
2.7. Semakin besar kapasitansinya, maka semakin besar pula arus kapasitifnya ( )
pada tegangan yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa (leading) sebesar
90
.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri
Jika sekelompok kapasitor tiga fasa dihubungkan kepada terminal
generator induksi, tegangan tanpa beban generator induksi adalah perpotongan
kurva magnetisasi generator dengan garis beban kapasitor. Jadi, tegangan keluaran
dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa
untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan
pada
Gambar 2.8.
Tegangan
terminal
tanpa
beban
generator
induksi
berpenguatan sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva
magnetisasi sebagai fungsi tegangan terminal generator (Gambar 2.6) dan kurva
tegangan-arus kapasitor (Gambar 2.7). 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
12
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Proses pembangkitan tegangan
Proses pembangkitan tegangan dapat dilihat pada Gambar 2.9. Ketika
generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan medan yang
ada pada rotor akan membentuk ggl induksi awal (
Timbulnya (
kapasitif sebesar
) pada belitan stator.
) ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif
. Arus
ini merupakan arus magnetisasi yang
menghasilkan fluksi celah udara. Fluksi ini kemudian menambah jumlah
fluksi yang sudah ada, sehingga kemudian menghasilkan ggl induksi di stator
yang lebih besar lagi yaitu sebesar
. Tegangan induksi
ini akan memicu
kembali kapasitor mengalirkan arus kapasitif yang semakin besar pula yaitu
sebesar
, yang kemudian akan menambah jumlah fluksi celah udara,
sehingga dihasilkan ggl induksi yang lebih besar lagi yaitu
kemudian menghasilkan arus
.
ini
, dan kemudian membentuk ggl induksi.
13
Universitas Sumatera Utara
Demikian
proses
kesetimbangan E =
ini
berjalan
terus sampai
akhirnya mencapai titik
.
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 lebih besar dari kecepatan sinkronnya. Pada saat itu pula
suplai daya yang diberikan untuk mengoperasikan motor dimatikan, dan pada
terminal langsung dihubungkan pada beban. Putaran penggerak mula harus searah
dengan arah putaran motor induksi. Ketika suplai daya dimatikan, maka kapasitor
akan bekerja untuk menyalurkan daya reaktif dan menjaga kecepatan sinkronnya.
Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan
tegangan yang ditentukan.
2.5 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi
Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri hampir sama dengan
rangkaian
ekivalen
generator
tanpa
penguatan,
hanya
saja
ada
14
Universitas Sumatera Utara
penambahan kapasitor pada sisi statornya. Rangkaian ekivalen generator induksi
berpenguatan sendiri ditunjukkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri
Dimana:
= Resistansi stator
= Reaktansi stator
= Resistansi rotor
= Reaktansi rotor
= Reaktansi magnetisasi
= Reaktansi kapasitor eksitasi
S= Slip
= Arus rotor
= Arus beban
= Arus magnetisasi
V= Tegangan keluaran
Dari rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri (Gambar
15
Universitas Sumatera Utara
2.9), hubungan antara tegangan keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada
persamaan berikut
V=
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Dimana:
V = Tegangan keluaran generator (Volt)
ggl induksi yang dibangkitkan pada sisi stator (Volt)
= ggl yang dibangkitkan disisi rotor (Volt)
Arus stator (Ampere)
2.6 Kapasitor Eksitasi
Dalam proses eksitasinya generator induksi membutuhkan daya reaktif
untuk membangkitkan tegangannya. Jika generator induksi terhubung dengan
sistem tenaga listrik maka daya reaktif yang dibutuhkan akan disuplai langsung
oleh sistem. Tetapi jika generator induksi tidak terhubung dengan sistem atau
bekerja sendiri maka generator induksi membutuhkan sumber daya reaktif untuk
menyuplai kebutuhan daya reaktifnya. Untuk itu dipasang kapasitor sebagai
penyuplai daya reaktifnya yang dipasang pada terminal generator.
2.6.1
Penggunaan Kapasitor Eksitasi
Kapasitor eksitasi dipasang untuk dapat menyuplai daya reaktif yang
diperlukan generator induksi. Kapasitor ini dipasang paralel pada terminal
keluaran generator induksi. Eksitasi dibutuhkan untuk dapat membangkitkan
16
Universitas Sumatera Utara
tegangan listrik. Dengan adanya eksitasi yang mencukupi, juga akan menambah
efesiensi dan faktor daya, regulasi tegangan yang kecil dan akan meningkatkan
perfomansi dari generator induksi.
2.6.2
Kapasitansi Minimum
Besarnya kapasitansi dari kapasitor eksitasi sangat berpengaruh pada
proses pembangkitan tegangan pada generator induksi. Untuk dapat
membangkitkan tegangan, nilai dari kapasitor harus lebih besar dari nilai
kapasitansi minumum dari generator induksi untuk proses eksitasinya. Apabila
kapasior yang dipasang lebih kecil dari kapasitansi minimumnya maka tegangan
tidak dapat dibangkitkan.
Cara menentukan kapasitansi minimum dari generator induksi ialah
dengan menggunakan karakteristik magnetisasi dari mesin induksi saat beroperasi
sebagai motor induksi. Karakteristik magnetisasi ini didapat dengan
mengoperasikan motor induksi pada kondisi beban nol. Pada kondisi beban nol,
arus yang mengalir pada kapasitor (
akan sama dengan arus magnetisasi (
).
Tegangan (V) yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi
dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai
reaktansi magnetisasi (
) dengan memberikan catu tegangan (V) kemudian
mengukur besar arus magnetisasinya.
17
Universitas Sumatera Utara
(2.8)
(2.9)
Substitusikan persamaan (2.8) ke dalam persamaan (2.9)
I=
C=
(2.10)
Persamaan ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila eksitasi
dihubungkan secara bintang atau delta
(2.11)
Pada sistem tiga fasa, kapasitor eksitasi dapat dihubungkan secara bintang
atau secara delta. Hubungan bintang tidak dianjurkan untuk dihubungkan dengan
generator karena hubungan bintang memiliki titik netral yang akan meningkatkan
rugi-rugi.
Gambar 2.11 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi
Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut :
18
Universitas Sumatera Utara
(2.12)
(2.13)
(2.14)
Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut
C=
(2.15)
(2.16)
Substitusikan persamaan (2.16) pada persamaan (2.14)
(2.17)
Berdasarkan persamaan-persamaan diatas, kapasitor eksitasi akan lebih
baik jika menggunakan hubungan delta. Hal itu dapat dilihat pada persamaan
2.17, jika dihubungkan delta besar kapasitansinya sebesar sepertiga dari besar
kapasitansi jika dihubungkan bintang. Dan berdasarkan persamaan 2.12, kapasitor
eksitasi apabila dihubungkan dengan hubungan delta maka kapasitor eksitasi
dapat beroperasi pada tegangan yang lebih besar.
19
Universitas Sumatera Utara
2.7 Pembebanan
2.7.1
a.
Jenis-Jenis Beban
Beban Resistif
Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja
(resiatance), seperti elemen panas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini
hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai factor daya satu.
Sifat beban resistif itu adalah arus beban resistif sefasa dengan tegangannya
atau factor daya atau cos φ = 1
Daya aktif
P = V. I Cos φ (Watt)
Daya reaktif
Q= V. I Sin φ (VAR)
Jika Cos φ = 1 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi maksimum dan reaktif nol.
b.
Beban Induktif
Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparan kawat yang
dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan selenoida. Beban ini dapat
mengakibatkan pergeseran fasa (fasa shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal
ini disebabkan oleh energy yang tersimpan berupa medan magnetis akan
mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis
ini menyerap daya aktif dan daya reaktif.
20
Universitas Sumatera Utara
Sifat beban induktif arus beban induktif 900
ketinggalan terhadap
tegangannya atau factor daya : cos φ = 0
Daya aktif
P
= V.I.Cos φ (Watt)
= V.I.Cos 900
= V. I. 0
Daya Reaktif
Q
= V. In . Sin φ
( VAR )
= V. In .Sin 90 °
= V. In . 1
Bila cos φ = 0 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi nol daya reaktif maksimum.
2.7.2
Pengaruh Beban Pada Generator Induksi
Pada saat generator dibebani akan terjadi drop tegangan sebelum terminal
outputnya. Besaran drop tegangan ini sangat tergantung pada kondisi beban yang
ada.
Adapun macam-macam drop tegangan tersebut yaitu :
a) Drop tegangan akibat tahanan jangkar (IRa)
b) Drop tegangan akibat reaktansi jangkar (IXa)
c) Drop tegangan akibat fluks bocor
21
Universitas Sumatera Utara
Penggabungan antaraa reaktansi jangkar dan fluks bocor sering disebut
sebagai reaktansi sinkron (Xs = X1 + Xa). Berikiut akan dijabarkan mengenai
pengaruh pembebanan di beban resistif dan induktif.
a. Beban Cos φ = 1
Faktor daya generator bernilai cos φ = 1 adalah apabila generator diberi
beban bersifat resistif sepasa dengan tegangannya.
Gambar 2.12 vektor pada beban cos φ =1
Keterangan :
Eo = Tegangan yang terangkat pada kumparan jangkar ( tegangan beban nol)
E = Emf induksi beban
V = Tegangan terminal
Bila φ = 1800 maka cos φ = 1 dan sin φ = 0, sehingga daya aktif menjadi
maksimum dan reaktif menjadi nol. Efek dari pembebanan resistif adalah putaran
generator turun dan tegangan generator juga turun. Untuk mengatasi putaran
generator yang turun dapat diatasi dengan menambah putaran mesin yang
digunakan untuk menggerakkan generator, dan untuk mengatasi tegangan keluaran
generator yang turun maka dapat diatasi dengan cara menambah arus eksitasi.
22
Universitas Sumatera Utara
b. Beban Cos φ = Lagging
Faktor daya generator dapat bernilai lagging apabila generator dibebani
beban yang bersifat induktif. Beban induktif adalah beban yang mayoritas
komponen
penyusunnya
adalh
gulungan-gulungan
kawat
yang
dapat
menghasilkan medan magnet/inductor. Contohnya adalh kumparan, motor
listrik lampu TL.
Karakteristik factor daya generator yang diakibatkan oleh beban induktif
adalah arus beban induktif tertinggal terhadap tegangannya.
Gambar 2.13 Vektor pada beban cos φ = Lagging
Keterangan :
Eo
= Tegangan yang terangkat pada kumparan jangkar (tegangan beban nol)
E
= Emf induksi beban
V
= tegangan terminal
Efek dari pembebanan induktif adalah tegangan stator turun sedangkan
putaran tetap. Untuk mengatasi permasalahan akibat pembebanan induktif ini
adalah
dengan
menambah
arus
eksitasi
agar
tegangan
naik
kembali.
23
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
Mesin induksi ialah mesin yang 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:
(2.1)
S= (
2.2 Konstruksi Generator Induksi
Secara umum konstruksi mesin induksi baik generator maupun motor
sama. Generator induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah
udara. Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada gambar 2.1
dibawah ini baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi
sederhananya.
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Konstruksi mesin induksi
2.2.1
Stator
Gambar 2.2 konstruksi stator generator 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
5
Universitas Sumatera Utara
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
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.
2.2.2
Rotor
Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar dan letaknya pada bagian
dalam. Pada mesin induksi terdapat dua tipe rotor yang berbeda yaitu rotor
sangkar tupai dan rotor belitan. Kedua tipe rotor ini menggunakan laminasi
melingkar yang terikat erat pada poros. Penampang rotor sangkar tupai memiliki
6
Universitas Sumatera Utara
konstruksi yang sederhana. Batang rotor dan cincin ujung sangkar tupai yang
kecil merupakan coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti
rotor. Pada motor yang lebih besar, batang rotor dibenamkan dalam alur rotor dan
kemudian di las dengan kuat ke cincin ujung. Apabila dilihat tanpa inti rotor,
maka batang rotor ini kelihatan seperti kandang tupai.oleh karena itu motor
induksi dengan rotor sangkar tupai dinamakan motor induksi sangkar tupai.
Gambar 2.3 konstruksi rotor mesin induksi
(a) rotor sangkar
(b) rotor belitan
7
Universitas Sumatera Utara
2.3 Karakteristik Mesin Induksi
Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut
Gambar 2.4 grafik kurva karakteristik mesin induksi
Dari Gambar 2.4 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
8
Universitas Sumatera Utara
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.
2.4 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri
Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat mesin induksi
bekerja sebagai motor. Dimana ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan
stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul medan putar dengan
kecepatan sinkron (ns). Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor
motor diputar oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada
kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didalam medan magnet
(kumparan stator) akan membangkitkan tegangan sebesar
e = B.l.v
Dimana :
e = tegangan induksi yang dihasilkan (volt)
B = fluks magnetik (weber)
l = panjang konduktor yang dilewati medan magnet (m)
v = kecepatan medan magnet melewati konduktor (m/s)
dan bila dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus. 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.
Generator induksi berpenguatan sendiri menggunakan kapasitor bank
sebagai penyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk membangkitkan
tegangan. Seperti yang terlihat pada gambar 2.5, generator induksi menggunakan
kapasitor
bank
menyuplai
daya
reaktif
yang
dibutuhkan
generator.
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Prinsip kerja generator induksi
Kapasitansi dari kapasitor harus sesuai dengan daya reaktif yang
dibutuhkan. Besarnya daya reaktif yang dibutuhkan generator dapat ditinjau dari
besar arus magnetisasi (
) untuk proses eksitasi. Arus magnetisasi (
) yang
dibutuhkan dapat dicari dengan mengoperasi mesin induksi sebagai motor induksi
pada keadaan tanpa beban dan mengukur tegangan statornya sebagai fungsi
tegangan terminal generator. Penentuan nilai kapasitansi minimum yang
dibutuhkan generator akan dijelaskan pada bab berikutnya. Kurva magnetisasi
mesin induksi ditunjukkan pada gambar 2.6. Kurva magnetisasinya ini
menrupakan plot tegangan terminal generator induksi sebagai fungsi arus
magnetisasi. Untuk mencapai level tegangan yang diinginkan, maka kapasitor
sebagai penyuplai daya reaktifnya harus dapat menyuplai arus magnetisasi yang
dibutuhkan pada level tegangan tersebut.
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Kurva magnetisasi mesin induksi
Gambar 2.7 Kurva tegangan vs arus pada kapasitor bank
Arus reaktif yang dihasilkan oleh sebuah kapasitor berbanding lurus
dengan tegangan yang diberikan padanya, Untuk itu semua kemungkinan
kombinasi tegangan dan arus yang melalui kapasitor berupa garis lurus. Jadi kurva
tegangan vs arus dari sebuah kapasitor dapat digambarkan seperti pada Gambar
2.7. Semakin besar kapasitansinya, maka semakin besar pula arus kapasitifnya ( )
pada tegangan yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa (leading) sebesar
90
.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.8 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri
Jika sekelompok kapasitor tiga fasa dihubungkan kepada terminal
generator induksi, tegangan tanpa beban generator induksi adalah perpotongan
kurva magnetisasi generator dengan garis beban kapasitor. Jadi, tegangan keluaran
dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa
untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan
pada
Gambar 2.8.
Tegangan
terminal
tanpa
beban
generator
induksi
berpenguatan sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva
magnetisasi sebagai fungsi tegangan terminal generator (Gambar 2.6) dan kurva
tegangan-arus kapasitor (Gambar 2.7). 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
12
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 Proses pembangkitan tegangan
Proses pembangkitan tegangan dapat dilihat pada Gambar 2.9. Ketika
generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan medan yang
ada pada rotor akan membentuk ggl induksi awal (
Timbulnya (
kapasitif sebesar
) pada belitan stator.
) ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif
. Arus
ini merupakan arus magnetisasi yang
menghasilkan fluksi celah udara. Fluksi ini kemudian menambah jumlah
fluksi yang sudah ada, sehingga kemudian menghasilkan ggl induksi di stator
yang lebih besar lagi yaitu sebesar
. Tegangan induksi
ini akan memicu
kembali kapasitor mengalirkan arus kapasitif yang semakin besar pula yaitu
sebesar
, yang kemudian akan menambah jumlah fluksi celah udara,
sehingga dihasilkan ggl induksi yang lebih besar lagi yaitu
kemudian menghasilkan arus
.
ini
, dan kemudian membentuk ggl induksi.
13
Universitas Sumatera Utara
Demikian
proses
kesetimbangan E =
ini
berjalan
terus sampai
akhirnya mencapai titik
.
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 lebih besar dari kecepatan sinkronnya. Pada saat itu pula
suplai daya yang diberikan untuk mengoperasikan motor dimatikan, dan pada
terminal langsung dihubungkan pada beban. Putaran penggerak mula harus searah
dengan arah putaran motor induksi. Ketika suplai daya dimatikan, maka kapasitor
akan bekerja untuk menyalurkan daya reaktif dan menjaga kecepatan sinkronnya.
Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan
tegangan yang ditentukan.
2.5 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi
Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri hampir sama dengan
rangkaian
ekivalen
generator
tanpa
penguatan,
hanya
saja
ada
14
Universitas Sumatera Utara
penambahan kapasitor pada sisi statornya. Rangkaian ekivalen generator induksi
berpenguatan sendiri ditunjukkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri
Dimana:
= Resistansi stator
= Reaktansi stator
= Resistansi rotor
= Reaktansi rotor
= Reaktansi magnetisasi
= Reaktansi kapasitor eksitasi
S= Slip
= Arus rotor
= Arus beban
= Arus magnetisasi
V= Tegangan keluaran
Dari rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri (Gambar
15
Universitas Sumatera Utara
2.9), hubungan antara tegangan keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada
persamaan berikut
V=
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Dimana:
V = Tegangan keluaran generator (Volt)
ggl induksi yang dibangkitkan pada sisi stator (Volt)
= ggl yang dibangkitkan disisi rotor (Volt)
Arus stator (Ampere)
2.6 Kapasitor Eksitasi
Dalam proses eksitasinya generator induksi membutuhkan daya reaktif
untuk membangkitkan tegangannya. Jika generator induksi terhubung dengan
sistem tenaga listrik maka daya reaktif yang dibutuhkan akan disuplai langsung
oleh sistem. Tetapi jika generator induksi tidak terhubung dengan sistem atau
bekerja sendiri maka generator induksi membutuhkan sumber daya reaktif untuk
menyuplai kebutuhan daya reaktifnya. Untuk itu dipasang kapasitor sebagai
penyuplai daya reaktifnya yang dipasang pada terminal generator.
2.6.1
Penggunaan Kapasitor Eksitasi
Kapasitor eksitasi dipasang untuk dapat menyuplai daya reaktif yang
diperlukan generator induksi. Kapasitor ini dipasang paralel pada terminal
keluaran generator induksi. Eksitasi dibutuhkan untuk dapat membangkitkan
16
Universitas Sumatera Utara
tegangan listrik. Dengan adanya eksitasi yang mencukupi, juga akan menambah
efesiensi dan faktor daya, regulasi tegangan yang kecil dan akan meningkatkan
perfomansi dari generator induksi.
2.6.2
Kapasitansi Minimum
Besarnya kapasitansi dari kapasitor eksitasi sangat berpengaruh pada
proses pembangkitan tegangan pada generator induksi. Untuk dapat
membangkitkan tegangan, nilai dari kapasitor harus lebih besar dari nilai
kapasitansi minumum dari generator induksi untuk proses eksitasinya. Apabila
kapasior yang dipasang lebih kecil dari kapasitansi minimumnya maka tegangan
tidak dapat dibangkitkan.
Cara menentukan kapasitansi minimum dari generator induksi ialah
dengan menggunakan karakteristik magnetisasi dari mesin induksi saat beroperasi
sebagai motor induksi. Karakteristik magnetisasi ini didapat dengan
mengoperasikan motor induksi pada kondisi beban nol. Pada kondisi beban nol,
arus yang mengalir pada kapasitor (
akan sama dengan arus magnetisasi (
).
Tegangan (V) yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi
dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai
reaktansi magnetisasi (
) dengan memberikan catu tegangan (V) kemudian
mengukur besar arus magnetisasinya.
17
Universitas Sumatera Utara
(2.8)
(2.9)
Substitusikan persamaan (2.8) ke dalam persamaan (2.9)
I=
C=
(2.10)
Persamaan ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila eksitasi
dihubungkan secara bintang atau delta
(2.11)
Pada sistem tiga fasa, kapasitor eksitasi dapat dihubungkan secara bintang
atau secara delta. Hubungan bintang tidak dianjurkan untuk dihubungkan dengan
generator karena hubungan bintang memiliki titik netral yang akan meningkatkan
rugi-rugi.
Gambar 2.11 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi
Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut :
18
Universitas Sumatera Utara
(2.12)
(2.13)
(2.14)
Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut
C=
(2.15)
(2.16)
Substitusikan persamaan (2.16) pada persamaan (2.14)
(2.17)
Berdasarkan persamaan-persamaan diatas, kapasitor eksitasi akan lebih
baik jika menggunakan hubungan delta. Hal itu dapat dilihat pada persamaan
2.17, jika dihubungkan delta besar kapasitansinya sebesar sepertiga dari besar
kapasitansi jika dihubungkan bintang. Dan berdasarkan persamaan 2.12, kapasitor
eksitasi apabila dihubungkan dengan hubungan delta maka kapasitor eksitasi
dapat beroperasi pada tegangan yang lebih besar.
19
Universitas Sumatera Utara
2.7 Pembebanan
2.7.1
a.
Jenis-Jenis Beban
Beban Resistif
Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja
(resiatance), seperti elemen panas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini
hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai factor daya satu.
Sifat beban resistif itu adalah arus beban resistif sefasa dengan tegangannya
atau factor daya atau cos φ = 1
Daya aktif
P = V. I Cos φ (Watt)
Daya reaktif
Q= V. I Sin φ (VAR)
Jika Cos φ = 1 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi maksimum dan reaktif nol.
b.
Beban Induktif
Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparan kawat yang
dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan selenoida. Beban ini dapat
mengakibatkan pergeseran fasa (fasa shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal
ini disebabkan oleh energy yang tersimpan berupa medan magnetis akan
mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis
ini menyerap daya aktif dan daya reaktif.
20
Universitas Sumatera Utara
Sifat beban induktif arus beban induktif 900
ketinggalan terhadap
tegangannya atau factor daya : cos φ = 0
Daya aktif
P
= V.I.Cos φ (Watt)
= V.I.Cos 900
= V. I. 0
Daya Reaktif
Q
= V. In . Sin φ
( VAR )
= V. In .Sin 90 °
= V. In . 1
Bila cos φ = 0 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi nol daya reaktif maksimum.
2.7.2
Pengaruh Beban Pada Generator Induksi
Pada saat generator dibebani akan terjadi drop tegangan sebelum terminal
outputnya. Besaran drop tegangan ini sangat tergantung pada kondisi beban yang
ada.
Adapun macam-macam drop tegangan tersebut yaitu :
a) Drop tegangan akibat tahanan jangkar (IRa)
b) Drop tegangan akibat reaktansi jangkar (IXa)
c) Drop tegangan akibat fluks bocor
21
Universitas Sumatera Utara
Penggabungan antaraa reaktansi jangkar dan fluks bocor sering disebut
sebagai reaktansi sinkron (Xs = X1 + Xa). Berikiut akan dijabarkan mengenai
pengaruh pembebanan di beban resistif dan induktif.
a. Beban Cos φ = 1
Faktor daya generator bernilai cos φ = 1 adalah apabila generator diberi
beban bersifat resistif sepasa dengan tegangannya.
Gambar 2.12 vektor pada beban cos φ =1
Keterangan :
Eo = Tegangan yang terangkat pada kumparan jangkar ( tegangan beban nol)
E = Emf induksi beban
V = Tegangan terminal
Bila φ = 1800 maka cos φ = 1 dan sin φ = 0, sehingga daya aktif menjadi
maksimum dan reaktif menjadi nol. Efek dari pembebanan resistif adalah putaran
generator turun dan tegangan generator juga turun. Untuk mengatasi putaran
generator yang turun dapat diatasi dengan menambah putaran mesin yang
digunakan untuk menggerakkan generator, dan untuk mengatasi tegangan keluaran
generator yang turun maka dapat diatasi dengan cara menambah arus eksitasi.
22
Universitas Sumatera Utara
b. Beban Cos φ = Lagging
Faktor daya generator dapat bernilai lagging apabila generator dibebani
beban yang bersifat induktif. Beban induktif adalah beban yang mayoritas
komponen
penyusunnya
adalh
gulungan-gulungan
kawat
yang
dapat
menghasilkan medan magnet/inductor. Contohnya adalh kumparan, motor
listrik lampu TL.
Karakteristik factor daya generator yang diakibatkan oleh beban induktif
adalah arus beban induktif tertinggal terhadap tegangannya.
Gambar 2.13 Vektor pada beban cos φ = Lagging
Keterangan :
Eo
= Tegangan yang terangkat pada kumparan jangkar (tegangan beban nol)
E
= Emf induksi beban
V
= tegangan terminal
Efek dari pembebanan induktif adalah tegangan stator turun sedangkan
putaran tetap. Untuk mengatasi permasalahan akibat pembebanan induktif ini
adalah
dengan
menambah
arus
eksitasi
agar
tegangan
naik
kembali.
23
Universitas Sumatera Utara