MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR PENGUATAN SENDIRI

3.1 Umum

Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai

generator. Bila dioperasikan sebagai motor, mesin induksi harus dihubungkan

dengan sumber tegangan (jala–jala) yang akan memberikan energi mekanis pada

mesin tersebut dengan mengambil arus eksitasi dari jala – jala dan mesin bekerja

dengan slip lebih besar dari nol sampai satu (0≤s≤ 1).

Jika mesin dioperasikan sebagai generator, maka diperlukan daya mekanis

untuk memutar rotornya searah dengan arah medan putar melebihi kecepatan

sinkronnya dan sumber daya reaktif untuk memenuhi kebutuhan arus eksitasinya.

Kebutuhan daya reaktif dapat diperoleh dari jala–jala atau dari suatu kapasitor.

Tanpa adanya daya reaktif, mesin induksi yang dioperasikan sebagai generator

tidak menghasilkan tegangan. Jika generator induksi terhubung dengan jala–jala,

maka kebutuhan daya reaktif diambil dari jala–jala. Namun, bila generator induksi

tidak tehubung dengan jala–jala, maka kebutuhan daya reaktif dapat disediakan

dari suatu unit kapasitor. Kapasitor tersebut dihubungkan paralel dengan terminal

keluaran generator. Kapasitor yang terpasang harus mampu memberikan daya

reaktif yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluksi di celah udara. Karena

generator induksi penguatan sendiri. Mesin induksi yang beroperasi sebagai

generator ini bekerja dengan slip yang lebih kecil dari nol (s < 0).

3.2 Syarat – Syarat Motor Induksi Sebagai Generator

Motor induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara

memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar (nr > ns) dan atau

mesin bekerja pada slip negatip (s < 0).

n_s = p f 120 ………...(3.1) dengan:

ns : Kecepatan medan putar, rpm

f : Frekuensi sumber daya, Hz

p : Jumlah kutub motor induksi.

Sehingga; s = s r s n n n − . 100 % , n_r > n_s……….……...……....(3.2) dengan: s : slip

ns : Kecepatan medan putar, rpm

n_r : Kecepatan putar rotor, rpm

Karena Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) ini bekerja stand alone

pemasangan kapasitor pada Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) beroperasi

sendiri ini adalah untuk menyediakan daya reaktif.

3.3 Slip

Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip (s).

Slip dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan

sebagai persen dari kecepatan sinkron.

Slip (s) = s r s n n n − x 100 %...(3.3) dimana: n_r = kecepatan rotor ( rpm ) ns = kecepatan sinkron ( rpm )

Apabila nr < ns, (0 < s < 1), kecepatan dibawah sinkron akan menghasilkan

kopel, rotor dijalankan dengan mempercepat rotasi medan magnet, tenaga listrik

diubah ke tenaga gerak (daerah motor).

Bila n_r = n_s, (s = 0), tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan

mengalir pada belitan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.

Bila nr > ns, (s < 0), kecepatan di atas sinkron, rotor dipaksa berputar lebih

cepat daripada medan magnet. Tenaga gerak diubah ke tenaga listrik (daerah

generator).

s = 1, rotor ditahan, tidak ada transfer tenaga.

s > 1, kecepatan terbalik, rotor dipaksa bekerja melawan medan magnet

3.4 Frekuensi Rotor

Kecepatan dan jumlah kutub derajat ac menentukan frekuensi tegangan

yang dibangkitkan. Jika generator mempunyai dua kutub (utara dan selatan) dan

kumparan berputar pada kecepatan satu putaran per detik, maka frekuensi akan

berubah menjadi siklus per detik. Rumus untuk menentukan frekuensi generator

ac adalah : f = 120 pn ……….…(3.4) dimana:

f = Frekuensi tegangan yang diinduksikan (Hz)

p = jumlah kutub pada rotor

n = kecepatan rotor per menit (r / menit)

Besarnya tegangan yang di bangkitkan tergantung pada kecepatan pada

garis medan magnet yang dipotong atau dalam hal generator ac, besarnya

tegangan tergantung pada kuat medan dan kecepatan rotor. Karena sebagian besar

dioperasikan pada kecepatan konstan, jumlah GGL yang dibangkitkan menjadi

3.5 Prinsip Kerja Generator Induksi (MISG) Penguatan Sendiri

Gambar 3.1. Prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri

Pada mesin induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan

rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi. Jika belitan stator diberi

tegangan tiga fasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga fasa, arus ini

kemudian akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan

sinkron (ns) dan kemudian akan melakukan pengisian muatan ke kapasitor (C)

yang dipasang parallel dengan stator yang tujuannya untuk mensuplai tegangan ke

stator nanti untuk mempertahankan kecepatan sinkron (ns) motor induksi pada

saat dilakukan pelepasan sumber tegangan tiga fasa pada stator.

Pada rangkaian (seperti Gambar 3.1) mesin dc sebagai prime mover yang

dikopel dengan mesin induksi diputar secara perlahan memutar rotor mesin

induksi hingga mencapai putaran sinkronnya (n_r = n_s). Saklar sumber tegangan

tiga fasa untuk stator dilepas, dan kapasitor yang sudah discharge akan bekerja

putaran sinkronnya mesin induksi (nr > ns), sehingga slip yang timbul antara

putaran rotor dan putaran medan magnet menghasilkan slip negatif (s < 0) dan

akan menghasilkan tegangan sehingga motor induksi akan berubah fungsi menjadi

generator induksi.

Gambar 3.2. Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi

Dari kurva karakteristik (Gambar3.2) antara kecepatan dan kopel motor

induksi dapat dilihat, jika sebuah motor induksi dikendalikan agar kecepatannya

lebih besar daripada kecepatan sinkron oleh penggerak mula, maka arah kopel

yang terinduksi akan terbalik dan akan beroperasi sebagai generator. Semakin

besar kopel pada penggerak mula, maka akan memperbesar pula daya listrik yang

dihasilkan. Pada gambar karakteristik diatas generator mulai menghasilkan

tegangan pada saat putaran rotor (n_r) sedikit lebih cepat dari putaran sinkron (n_s)

Pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat

pengatur tegangan seperti governor pada generator sinkron. Oleh karena itu

tegangan keluaran sangat dipengaruhi oleh beban dan nilai kapasitor.

3.6 Proses Pembangkitan Tegangan dan Rangkaian Ekivalen Generator Induksi

Syarat utama terbangkitnya tegangan generator induksi adalah adanya

remanensi di rotor atau kapasitor eksitasi yang digunakan harus mempunyai

muatan listrik terlebih dahulu. Remanensi atau muatan kapasitor merupakan

tegangan awal yang diperlukan untuk proses pembangkitan tegangan selanjutnya.

Proses pembangkitan tegangan akan terjadi bila salah satu syarat di atas dipenuhi.

Gambar 3.3 memperlihatkan rangkaian proses pembangkitan tegangan generator

induksi.

E2 E1

C eksitasi ^beban

rotor stator

Gambar 3.3 Rangkaian proses pembangkitan tegangan

Dari Gambar 3.3 dapat dibuat rangkaian ekivalen per fasa generator

Xm s R X R ^X I Xc Ic E1 b e b a n V 2 2 1 1 1 I_L

Gambar3.4. Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi

Dimana :

R₁ = tahanan stator I_L = arus beban

R2 = tahanan rotor s = slip

X₁ = reaktansi stator v = tegangan keluaran (fasa-netral)

X2 = reaktansi rotor

Xm = reaktansi magnetisasi

X_C = reaktansi kapasitansi

I1 = arus stator

I_C = arus magnetisasi

Dengan menghubungkan kapasitor di terminal stator, akan terbentuk suatu

rangkaian tertutup. Dengan adanya tegangan awal tadi, di rangkaian akan

mengalir arus. Arus tersebut akan menghasilkan fluksi di celah udara, sehingga di

stator akan terbangkit tegangan induksi sebesar E₁. Tegangan E₁ ini akan

mengakibatkan arus mengalir ke kapasitor sebesar I1. Dengan adanya arus sebesar

menjadi E2. Tegangan E2 akan mengalirkan arus di kapasitor sebesar I2 yang akan

menyebabkan fluksi bertambah dan tegangan yang dibangkitkan juga akan

meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik keseimbangan E = V_C seperti

ditunjukkan dalam Gambar 3.5. Dalam kondisi ini tidak terjadi lagi penambahan

fluksi ataupun tegangan yang dibangkitkan.

Gambar3.5. Proses pembangkitan tegangan.

Nilai kapasitor yang dipasang sangat menentukan terbangkitnya tegangan

atau tidak. Untuk terbangkitnya tegangan generator induksi, nilai kapasitor yang

dipasang harus lebih besar dari nilai kapasitor minimum yang diperlukan untuk

proses eksitasi. Jika kapasitor yang dipasang lebih kecil dari kapasitor minimum

yang diperlukan, maka proses pembangkitan tegangan tidak akan berhasil.

3.7 Kapasitor Eksitasi

Kapasitor adalah suatu peralatan listrik untuk menyimpan muatan listrik.

Konstruksi kapasitor pada umumnya terdiri dari dua buah konduktor yang

Kapasitor eksitasi adalah salah satu sumber eksitasi yang digunakan

sebagai penghasil daya reaktif pada generator induksi. Dengan eksitasi yang

mencukupi, akan diperoleh kondisi optimal pengoperasian pembangkit dalam

bentuk faktor daya dan efisiensi yang tinggi, regulasi tegangan yang rendah dan

pada gilirannya akan memperbaiki keseluruhan performansi sistem. Sebaliknya

kekurangan eksitasi akan mengakibatkan generator induksi dapat kehilangan

tegangan (voltage collapse) dan ketidak-stabilan sistem. Sehubungan dengan

eksitasi, permasalahan yang dihadapi dalam penggunaan generator induksi yang

dioperasikan secara terisolasi adalah menyangkut :

1. Penentuan dan pengendalian tingkat eksitasi (besar kapasitor) yang

memberikan tingkat regulasi tegangan terminal serendah mungkin dalam

kondisi beban yang berubah (berbeda) pada suatu tingkat kecepatan penggerak

mula generator

2. Penentuan dan pengendalian tingkat eksitasi yang memberikan regulasi

tegangan terminal serendah mungkin pada suatu tingkat pembebanan dalam

kondisi putaran penggerak mula yang berbeda.

Besar nilai kapasitor eksitasi dapat diperoleh dengan persamaan di bawah

ini: ∆Q = V.I ..………..………..…….(3.5) = V. c X V = Xc V² ………, Xc = fC π 2 1

∆Q = V2.2π. f. C ………...…(3.6) C = f V Q π 2 2 ∆ ………...………….(3.7) Dimana:

∆Q : jumlah daya reaktif yang diperlukan (VAR)

C : kapasitansi kapasitor adalah suatu kemampuan kapasitor untuk

menyimpan muatan (Farad)

3.8 Pemasangan Kapasitor

Untuk sistem 3 fasa, kapasitor dapat dihubungkan dalam dua bagian yaitu:

1. Hubungan delta (∆) 2. Hubungan wye (Y)

3.8.1 Kapasitor Hubungan Delta (∆)

•

•

•

•

∆ c

V

∆ C

I

Gambar 3.6. Kapasitor terhubung delta

Apabila dihubungkan dengan hubungan delta (∆) seperti gambar 3.6, maka besar kapasitansi kapasitor adalah:

C_∆ perfasa = f V Q π 2 3 ² ∆ ( Farad )…………...( 3.8)

3.8.2 Kapasitor Hubungan Wye ( Y )

• • • •

•

•

•

•

CY

V ^I

^CY

Gambar3.7. Kapasitor terhubung bintang

Apabila dihubungkan dengan hubungan bintang (Υ) seperti Gambar 3.7, maka besar kapasitansi kapasitor adalah:

CY perfasa = f V Q π 2 2 ∆ ( Farad )………..(3.9)

Dari kedua hubungan kapasitor diatas, maka diperoleh persamaan untuk

kapasitor terhubung bintang dan delta sebagai berikut :

3 3 Y Y C C C C I I dan V V _∆ = _∆ = ………..……...…(3.10) Y Y Y Y C C C Y C C C C X I V Ic V I V X ³ 3 3 3 = = = = ∆ ∆ ∆ ……….…...…(3.11)

Untuk kapasitor yang terhubung bintang, kapasitor yang dibutuhkan tiga

3.9 Pengaruh Pembebanan Terhadap Arus Eksitasi

Dari gambar rangkaian ekivalen gambar 3.6, hubungan antara tegangan

keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada persamaan berikut:

V = E1 – I1 ( R1 + jX1 ) ……..………..…(3.12)

I₁ = I_C + I_L ……….……..……(3.13)

dimana,

V = tegangan keluaran generator (Volt)

E₁ = ggl induksi yang dibangkitkan pada stator (Volt)

I1 = arus stator (Ampere)

I_L = arus beban (Ampere)

Tegangan keluaran generator tergantung kepada antara lain komponen

magnetisasi arus stator I1. Tanpa adanya beban yang mampu memberikan arus

magnetisasi ini, tegangan keluaran generator ini akan hilang. Dalam generator

induksi penguatan sendiri, beban yang dimaksudkan dipenuhi dengan pemasangan

kapasitor eksitasi pada terminal generator.

3.10 Pembebanan Dengan Faktor Kerja Satu

Pembebanan dengan faktor kerja satu artinya generator hanya melayani

beban yang bersifat resistif (R). Beban yang bersifat resistif ini hanya menarik

arus kerja. Kenaikkan arus beban akan memperbesar rugi tegangan di tahanan

stator dan memperbesar kebocoron fluksi di reaktansi stator, sehingga tegangan

Penurunan tegangan keluaran akan menyebabkan arus eksitasi ikut

menurun, seperti diperlihatkan pada Persamaan (3.14).

IC = C

X V

………...(3.14)

Proses penurunan tegangan keluaran berlangsung sampai tercapainya titik

keseimbangan yang baru seperti ditunjukkan dengan Gambar 3.8.

Gambar 3.8. Tegangan fungsi arus eksitasi dengan faktor kerja satu

Pada Gambar 3.8, titik A merupakan titik kerja keadaan beban nol dengan

tegangan sebesar V1 dan arus eksitasi sebesar OA¹. Saat generator induksi

dibebani, titik kerja turun menjadi titik B dengan tegangan keluaran generator

sebesar V₂ dan arus eksitasi menjadi sebesar OC¹ tersebut yang digunakan untuk

eksitasi hanya sebesar OB¹, sedangkan sisanya sebesar B¹C¹ digunakan untuk

3.11 Proses Pengendalian Tegangan

Pada keadaan berbeban atau tanpa beban tegangan terminal generator

induksi penguatan sendiri dapat dinaikkan atau diturunkan dengan cara merubah

besar tegangan induksi pada rangkaian maknetik Xm sedangkan penambahan /

penurunan tegangan induksi hanya dapat terjadi bila arus yang mengalir pada X_m

ditambah atau dikurangi.

Berdasarkan karakteristik maknetisasi semakin besar arus maknetisasi,

maka X_m akan semakin kecil. Jadi perubahan tegangan induksi mengakibatkan

perubahan arus maknetisasi, adalah identik dengan penurunan Xm. Dari Gambar

3.9 dapat dilihat bahwa penambahan tegangan digambarkan dengan semakin

kecilnya sudut kemiringan garis linearnya yang berpotongan dengan kurva.

Gambar 3.9. Kurva maknetisasi dan proses pengendalian tegangan

Sama seperti mesin–mesin listrik lainnya, Generator induksi pun

mempunyai batasan arus maknetisasi yang dapat menyuplai nilai X_m minimal.

yang mengalir pada rangkaian maknetis menjadi terlalu besar sehingga akan dapat

merusak mesin.

Dari sini dapat dimengerti bahwa tegangan induksi yang dapat dihasilkan

juga mempunyai batas. Besar tegangan induksi maksimum yang dapat dihasilkan

tergantung pada desain mesin induksi yang bersangkutan.

Pada pengaturan tegangan generator induksi, yang dilakukan adalah

menambah atau mengurangi nilai kapasitansi sehingga arus yang mengalir pada

rangkaian maknetiknya mengalami kenaikan atau penurunan sehingga tegangan

induksi yang diinginkan dapat terpenuhi.

Perubahan nilai kecepatan akan menyebabkan perubahan nilai X_m, hal ini

disebabkan oleh arus yang mengalir pada kapasitor adalah arus reaktif dan dilihat

dari rangkaian ekivalen perubahan arus reaktif yang pada rangkaian maknetis Xm.

Perubahan arus yang mengalir pada X_m akan menyebabkan perubahan nilai X_m itu

sendiri. Jadi hasil akhir dari perubahan nilai kapasitor adalah perubahan posisi

titik operasi generator induksi pada kurva magnetisasi.

3.12 Aliran Daya Nyata Generator Induksi Penguatan Sendiri

Diagram aliran daya nyata dan rugi-rugi daya generator induksi penguatan

Gambar3.10. Diagram aliran daya nyata.

Rugi-rugi gesekan dan angin Pg+a, rugi-rugi inti stator Pi biasanya dianggap

konstan dan disebut rugi-rugi beban nol. Sedangkan rugi-rugi tembaga stator dan

rotor tidak tetap dan besarnya sangat tergantung kepada arus beban. Diagram

aliran daya dan rugi-rugi daya nyata generator induksi dapat dinyatakan dengan

persamaan-persamaan sebagai berikut :

P1 = Pmek – P.g+a……….…...(3.15)

P_c = P₁ - P_cu2……….…….…..………….(3.16)

P2 = Pc – Pcu1 – Pi………..………...(3.17)

dengan:

P1 = daya masukan rotor (Watt)

P2 = daya keluaran stator (Watt)

P_mek = daya mekanis dari prime mover (Watt)

Pg+a = rugi-rugi gesek dan angin (Watt)

P_i = rugi-rugi inti stator (Watt)

Pc = daya pada celah udara (Watt)

Pcu1 =rugi-rugi tembaga stator (Watt)

3.13 Efisiensi

Sama halnya dengan mesin–mesin listrik yang lain, pada motor induksi

sebagai generator rugi–rugi terdiri dari rugi–rugi tetap dan rugi–rugi variabel.

Pada kondisi beban nol daya outputnya sama dengan nol, sehingga efisiensi

bernilai nol. Apabila motor induksi berbeban ringan, maka rugi–rugi tetap akan

lebih besar jika dibandingkan terhadap outputnya, sehingga efisiensi rendah. Jika

beban meningkat, maka efisiensinya juga akan meningkat dan akan menjadi

maksimum sewaktu rugi – rugi variabel sama dengan rugi–rugi inti. Efisiensi

maksimum terjadi saat 80 hingga 95 persen dari rated output. Jika beban

ditingkatkan secara terus–menerus hingga melampaui efisiensi maksimumnya

rugi–rugi beban akan meningkat dengan sangat cepat daripada outputnya,

sehingga efisiensi menurun.

3.14 Motor Induksi Sebagai Generator Penguatan Sendiri Keadaan Berbeban

Adapun rangkaian generator induksi dalam dapat dilihat pada gambar:

Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi berbeban diperlihatkan pada

gambar berikut :

Gambar 3.12. Rangkaian ekivalen per fasa generator induksi keadaan berbeban

3.15 Persamaan Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri

Berdasarkan rangkaian ekivalen perfasa generator induksi maka dapat

dibentuk persamaan – persamaan sebagai berikut.

arus stator (I1)

……...(3.18)

arus beban (IL)

………...(3.19) tegangan beban ( V_L ) = I_L ( R_{L +} j X_L ) ………...(3.20)

Daya Output Perfasa ( Pout ) = IL² RL ………...……...…(3.21)

VR ( % ) = FL L F NL V V V − x 100 % ………..…….…….…..(3.22)

BAB IV

ANALISA PENGARUH NILAI KAPASITOR EKSITASI