Studi pengaruh perbaikan faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi keluaran satu fasa

STUDI PENGARUH

REGULASI TEGANGAN DAN

TIGA FASA SEBAGA

( APLIKASI PADA LABOR

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat

menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

ENGARUH PERBAIKAN FAKTOR DAYA

REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR

TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI KELUARA

SATU FASA

PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam

menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

BAYU IQBAL SIREGAR NIM : 070402064

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2014

FAKTOR DAYA TERHADAP

ENSI MOTOR INDUKSI

UKSI KELUARAN

LISTRIK FT- USU)

dalam

1) pada

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

“STUDI PENGARUH PERBAIKAN FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA

SEBAGAI GENERATOR INDUKSI KELUARAN SATU FASA” Oleh:

BAYU IQBAL SIREGAR NIM : 070402064

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada Tanggal 5 Bulan Februari Tahun 2014 di depan penguji:

1. Ketua Penguji : Ir. Eddy Warman,M.T 2. Anggota Penguji : Ir. Syamsul Amien, M.S

Disetujui Oleh: Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si NIP.195405311986011002

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR

“STUDI PENGARUH PERBAIKAN FAKTOR DAYA TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA

SEBAGAI GENERATOR INDUKSI KELUARAN SATU FASA” Oleh:

BAYU IQBAL SIREGAR NIM : 070402064

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada Tanggal 5 Bulan Februari Tahun 2014 di depan penguji:

1. Ketua Penguji : Ir. Eddy Warman,M.T ………. 2. Anggota Penguji: Ir. Syamsul Amien, M.S ……….

Disetujui Oleh: Pembimbing Tugas Akhir

Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si NIP.195405311986011002

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

ABSTRAK

Penggunaan motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi dengan keluaran satu fasa dapat dilakukan dengan menghubungkan kapasitor dengan konfigurasi C-2C pada terminal mesin yang terhubung Δ (segitiga), dimana pada satu fasa tempat beban terhubung terpasang sebesar C, pada fasa yang lain sebesar 2C, dan pada fasa ketiga tidak ada. Percobaan dilakukan dengan membuat variasi terhadap kapasitansi kapasitor, kecepatan putaran generator, dan besar beban. Dari percobaan diperoleh hasil, bahwa kapasitansi kapasitor dan kecepatan putaran generator sangat berpengaruh terhadap karakteristik tegangan keluaran disamping besar beban yang mengakibatkan jatuh tegangan dan kebocoran fluks pada belitan stator. Efisiensi yang semakin baik diperoleh pada frekuensi operasi yang semakin tinggi dengan tegangan keluaran dibawah nilai nominal. Regulasi tegangan adalah persentase kenaikan tegangan, pada kondisi eksitasi konstan ketika beban di lepas. Semakin besar regulasi tegangan maka semakin buruklah kualitas tegangan pada sisi beban dan begitu juga sebaliknya. Untuk mendapatkan penganalisaan regulasi tegangan tersebut, maka dilakukan pengujian terhadap generator induksi. Pengujian ini dapat dilakukan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul:

“

STUDI PENGARUH PERBAIKAN FAKTOR DAYA

TERHADAP REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI

MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR

INDUKSI KELUARAN SATU FASA

”

Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu (S-1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu: Ayahanda Chairul Husni Siregar dan Ibunda Roeshartati yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang. Dan juga kepada keluarga besar di medan. Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada:

1. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis yang sangat besar bantuannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si sebagai Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.Si, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.

6. Bapak Isroy, ST, selaku Pegawai di Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.

7. Seluruh Staff Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU. 8. Adik penulis Anis, Dimas, Ega yang telah banyak memberikan motivasi

kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 9. Seluruh asisten Fahmi Syawali Rizky, Bambang Hidayat, Djaka, Diki,

Dhuha di Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Elektro USU.

10. Seluruh teman-teman stambuk 2007 Isan Tombol, Fernadi Borong, Indra Noe, Yovi Totok, Dion, Frans, Habibi, Ajir Tua, Oki, Tony Besar, Toni Kecil, Fauzan, Reki, Ali, Rizki, Fuad, Reza, dan lain-lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

11. Teman-teman Kaskus dan sesama penunggu kantin DW ( Mipa ) atas kebersamaan dan dukungan yang diberikan.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan. Kiranya Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Terimakasih

Medan, November 2013 Penulis

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR... ii

DAFTAR ISI...v

DAFTAR GAMBAR... ix

DAFTAR TABEL ... xii

BAB I PENDAHULUAN...1

1.1 Latar Belakang...1

1.2 Tujuan Penulisan ...2

1.3 Batasan Masalah...3

1.4 Metode Penulisan ...4

1.5 Sistematika Penulisan...4

BAB II DASAR TEORI...7

2.1 Umum... 7

2.2 Konstruksi Motor Induksi ... 6

2.2.1 Stator…. ... 8

2.2.2 Rotor…... 9

2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa... 10

2.4 Faktor Daya………16

2.5 Motor Induksi Sebagai Generator Induksi Tiga Fasa ... 19

2.6 Keunggulan dan Kelemahan Penggunaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator ... 20

2.7.1 nr > ns ... 23

2.7.2 Adanya Sumber Daya Reaktif ... 24

2.8 Kapasitor Pada Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator ... 28

2.8.1 Umum ... 28

2.8.2 Pemasangan Kapasitor... 29

2.8.3 Perhitungan Besar Kapasitansi Kapasitor ... 30

2.9 Prinsip Kerja Generator Induksi ... 33

2.9.1 Prinsip Kerja Pembangkitan Tegangan ... 33

2.9.2 Proses Pengendalian Tegangan ... 36

2.10 Generator Induksi Tiga Fasa dengan Keluaran Satu Fasa... 38

2.10.1 Metode Untuk Memperoleh Keluaran Satu Fasa dari Generator Induksi Tiga Fasa ... 38

2.10.2 Rangkaian Hubungan Kapasitor dan Diagram Fasor Generator Induksi Tiga Fasa dengan Keluaran Satu Fasa... 39

2.11 Aliran Daya dan Efisiensi Generator Induksi Tiga Fasa ... 42

2.11.1 Aliran Daya ... 42

2.11.2 Efisiensi ... 43

2.11.3 Perbaikan Torsi dan Efisiensi dengan Memperbaiki Faktor Daya dengan Kapasitor... 45

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 50

3.1 Proses Pengambilan Data ... 50

3.1.1 Sistem Pengukuran ... 51

3.13 Alat dan Bahan ... 51

3.2 Proses Pengukuran... 53

3.2.1 Percobaan Tahanan DC pada Belitan Stator ... 53

3.2.1.1 Rangkaian Percobaan ... 53

3.2.1.2 Prosedur Pengukuran... 53

3.2.2 Percobaan Berbeban pada Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Keluaran Satu Fasa ... 54

3.2.2.1 Rangkaian Percobaan ... 54

3.2.2.2 Prosedur Pengukuran... 55

3.3 Tahapan Percobaan Dengan Menggunakan Blok Diagram... 56

BAB IV HASIL DAN ANALISIS ... 59

4.1 Penentuan Nilai Kapasitor... 59

4.2 Percobaan Tahanan DC Pada Belitan Stator... 61

4.2.1 Data Hasil Percobaan ... 61

4.2.2 Analisa Data ... 61

4.3 Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Keluaran Satu Fasa ... 62

4.3.1 Data Hasil Percobaan ... 62

4.3.2 Analisa Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Keluaran Satu Fasa ... 63

4.3.2.1 Efisiensi ... 63

4.3.2.2 Regulasi Tegangan ... 67

4.3.4 Kurva Perbandingan ... 70

BAB V PENUTUP... 73

5.1 Kesimpulan ... 73

5.2 Saran ... 74

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ... 8

Gambar 2.2 Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa ... 9

Gambar 2.3 Konstruksi Rotor Belitan ... 9

Gambar 2.4 Fluksi tiga fasa ... 10

Gambar 2.5 Analisis Resultan Fluksi ... 11

Gambar 2.6 Sudut Vektoris Tiga Fasa... 11

Gambar 2.7 keadaan _o 0o ... 11

Gambar 2.8 keadaan o 60 1   _{... 12}

Gambar 2.9 keadaan o 120 2   _{... 12}

Gambar 2.10 Motor Induksi Rotor Belitan dengan Tahanan Luar Hubungan Wye... 14

Gambar 2.11 Diagram akibat relatif pada faktor daya motor induksi tiga fasa dalam keadaan berbeban... 17

Gambar 2.12 (a) beban nominal ... 18

(b) beban rendah ... 18

Gambar 2.13 Diagram vektor segitiga daya dengan perubahan faktor daya akibat perubahan beban ... 19

Gambar 2.14 Kurva Karakteristik Torsi-Kecepatan Mesin Induksi Pada Berbagai Daerah Operasi ... 23

Gambar 2.15 Generator Induksi Terhubung ke Sistem Jaringan 3-Fasa ... 25

Gambar 2.17 Kurva Magnetisasi Motor Induksi pada Keadaan Tanpa Beban

... 26

Gambar 2.18 Kurva Karakteristik Tegangan-Arus Kapasitor ... 26

Gambar 2.19 Kurva Karakteristik Tegangan Terminal Generator Induksi pada Keadaan Tanpa Beban ... 27

Gambar 2.20 Hubungan Bintang (Y) dan Segitiga (Δ) pada Kapasitor Eksitasi ... 29

Gambar 2.21 Skema Umum Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri... 33

Gambar 2.22 (a) Rangkaian Ekivalen per-Fasa Generator Induksi... 34

(b) Rangkaian Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen 3.9 (a).. 34

Gambar 2.23 Proses Pembangkitan Tegangan ... 35

Gambar 2.24 Rangkaian Generator Induksi Tiga Fasa dengan Keluaran Satu Fasa ... 39

Gambar 2.25 Diagram Fasor untuk Hubungan Satu Fasa ... 40

Gambar 2.26 Hubungan yang Salah pada Kapasitor Eksitasi ... 41

Gambar 2.27 Diagram Fasor dari Hubungan Kapasitor Eksitasi yang Salah... ... 42

Gambar 2.28 Diagram Aliran Daya Aktif ... 43

Gambar 2.29 Kapasitor Dihubung Wye ... 46

Gambar 2.30 Kapasitor Dihubung Delta ... 46

Gambar 2.31 Diagram Vektor Pada Kapasitor ... 47

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem... 50

Gambar 3.3 Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa

Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa ... 55

Gambar 3.4 Diagram Blok Prosedur Percobaan... 58

Gambar 4.1 Kurva Perbandingan Cos θ dengan Efisiensi Motor Induksi Sebagai Generator Induksi Tiga Fasa Keluaran Satu Fasa ... 70

Gambar 4.2 Kurva Perbandingan Cos θ dengan Regulasi Tegangan Motor Induksi Sebagai Generator Induksi Tiga Fasa Keluaran Satu Fasa. ... 70

Gambar 4.3 Kurva Perbandingan Efisiensi dengan Beban... 71

Gambar 4.4 Kurva Perbandingan Regulasi dengan Beban... 71

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Tahanan Stator DC ... 61 Tabel 4.2 Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa

Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa ... 62 Tabel 4.3 Tabel Hasil Analisa Data Perbandingan Perbaikan Faktor Daya

dengan Efisiensi Motor Induksi Sebagai Generator Induksi Tiga Fasa Keluaran Satu Fasa. ... 69 Tabel 4.4 Tabel Hasil Analisa Data Perbandingan Perbaikan Faktor Daya

ABSTRAK

Penggunaan motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi dengan keluaran satu fasa dapat dilakukan dengan menghubungkan kapasitor dengan konfigurasi C-2C pada terminal mesin yang terhubung Δ (segitiga), dimana pada satu fasa tempat beban terhubung terpasang sebesar C, pada fasa yang lain sebesar 2C, dan pada fasa ketiga tidak ada. Percobaan dilakukan dengan membuat variasi terhadap kapasitansi kapasitor, kecepatan putaran generator, dan besar beban. Dari percobaan diperoleh hasil, bahwa kapasitansi kapasitor dan kecepatan putaran generator sangat berpengaruh terhadap karakteristik tegangan keluaran disamping besar beban yang mengakibatkan jatuh tegangan dan kebocoran fluks pada belitan stator. Efisiensi yang semakin baik diperoleh pada frekuensi operasi yang semakin tinggi dengan tegangan keluaran dibawah nilai nominal. Regulasi tegangan adalah persentase kenaikan tegangan, pada kondisi eksitasi konstan ketika beban di lepas. Semakin besar regulasi tegangan maka semakin buruklah kualitas tegangan pada sisi beban dan begitu juga sebaliknya. Untuk mendapatkan penganalisaan regulasi tegangan tersebut, maka dilakukan pengujian terhadap generator induksi. Pengujian ini dapat dilakukan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Permintaan kebutuhan listrik semakin lama selalu mengalami peningkatan, seiring dengan kemajuan ilmu dan teknologi yang berkembang pesat. Sumber-sumber energi primer tak terbarukan seperti minyak bumi, gas bumi, dan batu bara yang digunakan untuk pembangkitan energi listrik semakin lama jumlahnya semakin menipis, sementara sumber energi primer lainnya seperti air, angin, tenaga matahari, dan ombak laut ada dalam jumlah yang besar dan belum digunakan secara maksimal.

Penggunaan motor induksi sangkar tupai sebagai generator induksi penguatan sendiri yang digerakan oleh mikrohidro dan tenaga angin menjadi suatu alternatif untuk mengatasi kebutuhan energi listrik, terutama untuk pelistrikan daerah-daerah terpencil. Ada beberapa keuntungan yang menjadi alasan digunakannya motor induksi sangkar tupai sebagai generator yaitu sederhana, dimana generator induksi tidak memerlukan suplai DC sebagai sumber eksitasi, ketersediaannya di pasaran, harganya terjangkau, dan konstruksinya kokoh.

Motor induksi satu fasa dapat digunakan sebagai generator, tetapi harganya lebih mahal dibanding motor induksi tiga fasa, umumnya hanya tersedia pada daya keluaran yang kecil, dan lebih rumit dalam penentuan dan pengaturan kapasitor eksitasi yang dibutuhkan sehingga digunakanlah motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi dengan keluaran satu fasa dengan menggunakan hubungan C-2C

pada konfigurasi kapasitor eksitasi dimana motor induksi sendiri pada belitan statornya terhubung segitiga (Δ).

Pada generator induksi tiga fasa dengan keluaran satu fasa, pembebanan yang terjadi sangat mempengaruhi nilai tegangan keluaran dan efisiensi, dan pembebanan yang besarnya jauh dibawah rating mesin dapat menyebabkan pemanasan yang berlebihan pada generator. Oleh karena itu, penulis dalam tugas akhir ini berkesempatan untuk melakukan analisis terhadap karakteristik tegangan dan efisiensi generator induksi tiga fasa dengan keluaran satu fasa, dengan pembebanan yang bersifat induktif, untuk mendapatkan karakteristik tegangan dan efisiensi maksimum generator dengan melakukan pengaturan pada besarnya nilai beban, nilai kapasitansi kapasitor, dan kecepatan putaran generator.

1.2 Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

2. Untuk mengetahui kondisi, bilamana dan bagaimana generator induksi memiliki efisiensi maksimum, dengan melakukan pengaturan-pengaturan pada nilai beban, kapasitansi kapasitor, dan regulasi tegangan daripada generator.

1.3 Batasan Masalah

Mengingat bahwa luas dan kompleksnya pembahasan yang akan dilakukan dan untuk lebih mengarahkan pembahasan, maka perlu dilakukan pembatasan sebagai berikut :

1. Motor induksi yang digunakan ialah motor induksi tiga fasa rotor belitan (wound rotor) yang dihubungkan segitiga (Δ), dan kapasitor eksitasi

menggunakan hubungan C-2C.

2. Beban yang digunakan bersifat induktif.

3. Generator induksi beroperasi sendiri (stand alone) dan tidak membahas hubungan pararel ataupun interkoneksi dengan sistem / jaringan.

4. Tidak membahas tentang sistem yang memproteksi generator .

6. Pengambilan data dan analisis perhitungan dilakukan berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro USU.

1.4 Metode Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah

1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks pendukung.

2. Metode diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan tugas akhir ini berlangsung. 3. Melakukan percobaan di laboratorium konversi energi listrik Departemen Teknik

Elektro USU.

4. Menganalisa seluruh data dan hasil perhitungan serta membuat kesimpulan.

5. Pengujian kebenaran teoritis yang diperoleh pada studi literatur dengan cara penerapan langsung pada peralatan di laboratorium.

1.5 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran terhadap Tugas Akhir ini, maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut;

BAB I PENDAHULUAN

BAB II DASAR TEORI

Bab ini membahas tentang konstruksi motor induksi tiga fasa, prinsip kerja, rangkaian ekivalen motor induksi, serta arus dan daya pada motor induksi, Faktor daya, Torsi dan Putaran, penggunaan motor induksi sebagai generator secara umum, Keuntungan penggunaan motor induksi sebagai generator, Syarat-syarat motor induksi dioperasikan sebagai generator, Kapasitor pada motor induksi tiga fasa sebagai generator, Prinsip kerja Pembangkitan tegangan dan proses pengendalian tegangan generator induksi, Metode untuk memperoleh keluaran satu fasa dari generator induksi tiga fasa, Rangkaian hubungan kapasitor dan diagram fasor generator induksi tiga fasa dengan keluaran satu fasa, regulasi tegangan dan Aliran daya dan Efisiensi pada generator induksi.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini menjelaskan mengenai proses pengambilan data, sistem pengukuran, tempat dan waktu pengambilan data, rangkaian percobaan, prosedur pengukuran, dan tahapan percobaan dengan menggunakan blok diagram.

BAB IV HASIL DAN ANALISIS

lebih lanjut dari data tersebut. Penganalisisan data yang dilakukan bertujuan untuk mengamati pengaruh perbaikan faktor daya terhadap tegangan dan efisiensi generator induksi.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Umum

Motor induksi tiga fasa rotor belitan merupakan salah satu mesin ac yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Motor induksi terdiri atas bagian stasioner (diam) dan bagian bergerak. Bagian stasioner yang disebut juga stator, terdiri dari inti-inti besi yang dipisah oleh celah udara dan membentuk rangkaian magnetik yang menghasilkan fluksi oleh adanya arus yang mengalir melalui kumparan-kumparan, sedangkan bagian bergerak yang disebut juga rotor terdiri dari pada konduktor yang dialiri arus, sehingga pada konduktor ini berinteraksi dengan fluksi yang dihasilkan stator yang akan menyebabkan timbulnya gaya. Setiap bagian stator dan rotor masing-masing memiliki terminal masukan. Masukan dari motor induksi berupa tegangan ac yang dihubungkan di terminal stator.

Berdasarkan jenisnya, rotor dari suatu motor induksi terbagi atas dua bagian, yakni rotor sangkar dan rotor belitan. Untuk jenis motor induksi rotor belitan resistansi rotornya dapat dirangkai dengan resistansi variabel secara paralel.

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan

Berdasarkan kontruksi pada motor induksi tiga fasa dapat dilihat pada Gambar (2.1) dibawah ini :

Gambar 2.1. Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan

Motor induksi tiga fasa rotor belitan terdiri atas dua bagian yang sangat berperan penting dalam prinsip kerja motor induksi. Konstruksi motor induksi rotor belitan tiga fasa di tunjukkan pada Gambar 2.1. Bagian-bagian motor induksi yaitu bagian stator dan bagian rotor.

2.2.1 Stator

Gambar 2.2. Komponen Stator Motor Induksi (a) Lempengan Inti

(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi

(c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator.

2.2.2 Rotor

Rotor belitan Terminal belitan rotor di pada poros rotor. Rotor mendapatkan arus mel rotor belitan ditunjukkan ke sebuah tahanan luar

Selama pengasutan, penambaha menghasilkan torsi pengasutan kecil dibanding dengan rotor sangkar.

Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa, (a) Lempengan Inti

(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurn (c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator.

belitan terdiri dari kumpulan-kumpulan lilitan kumparan Terminal belitan rotor dihubungkan dengan tiga cincin slip yang terisolasi

rotor. Rotor belitan yang terhubung loop tertutup arus melalui dari fluksi dalam bentuk induksi dari ditunjukkan pada Gambar 2.3. Pada rotor belitan, cincin tahanan luar (rheostat) yang dapat mengurangi arus start pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian

torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan kecil dibanding dengan rotor sangkar.

Gambar 2.3. Konstruksi Rotor Belitan

pada Beberapa Alurnya (c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator.

2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi

Bila sumber tegangan listrik tiga fasa yang seimbang, dihubungkan ke terminal belitan stator dari suatu motor induksi tiga fasa maka pada masing-masing belitan akan mengalir arus listrik yang sinusoidal yang besarnya dapat dituliskan pada persamaan 2.1 sebagai berikut :

t I

I _m.sin ... (2.1)

Arus pada masing-masing belitan stator akan menghasilkan fluksi (medan magnet) yang juga berbentuk sinusoidal sehingga dapat dituliskan pada persamaan 2.2 sebagai berikut :

t

m 



 .sin ...(2.2)

Dimana bentuk gelombang fluksi tiga fasa yang sama dan seimbang tersebut dapat digambarkan pada Gambar 2.4 sebagai berikut :



1





2



3

t



Gambar 2.4. Fluksi tiga fasa

Untuk sistem tiga fasa yang seimbang, maka pada persamaan 2.3, persamaan 2.4, dan persamaan 2.5 pada masing-masing fluksi adalah:

t Sin

m 



₁  . ...(2.3)

) 120 ( . 2 o

m Sin t

 



2



 3

ro  ) 240 ( . 3 o

m Sin t

 

 ...(2.5)

Besarnya resultan fluksi yang konstan pada motor induksi tiga fasa dikenal sebagai medan putar. Adapun analisis menentukan besar resultan fluksi pada motor induksi tiga fasa dapat dijelaskan pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 di bawah ini :



1

 2 3

t



0

 ₁ ₂ 3 4 5 6

Gambar 2.5. Analisis Resultan Fluksi

 

1

r

 

2

s

 

3

t

Gambar 2.6. Sudut Vektoris Tiga Fasa

 Untuk keadaan _o 0o, maka : ₁ _m.Sin0o = 0

) 120 ( . 2 o mSin 



 = 3_m

2 1  ) 240 ( . 3 o mSin 



 = 3_m

2 1     

_ro  ₂2  ₃2 2 ₂. ₃ Cos



1



2





1 r





2 r

 3

1



 Untuk keadaan ₁ 60o, maka : ₁ _m.Sin 60o = 3 _m 2 1 ) 60 ( . 2 o mSin 



 = 3_m

2 1  ) 180 ( . 3 o mSin 



 = 0

 

  

_r1  ₁2  ₂2 2 ₁. ₂ Cos

Gambar 2.8.keadaan ₁ 60o 1,5_m

 Untuk keadaan 2 120o, maka :

o m.Sin120

1 

  = 3_m

2 1

o m.Sin 0

2 

  = 0

) 120 ( . 3 o

m Sin 



 = 3_m

2 1      

_r2  ₁2  ₃2 2 ₁. ₃ Cos

Gambar 2.9.keadaan 2 120o 1,5m

Untuk semua keadaan



, besar fluks resultan adalah konstan dengan nilai

m 

5 ,

1 dan berputar searah arah jarum jam pada setiap pertambahan sudut sebesar

o

60 atau 180 dari keadaan awal.o

Medan putar pada motor induksi tiga fasa memiliki kecepatan, yang bisa

disimbolkan dengan n_s. Adapun besar kecepatan medan putar motor induksi tiga

fasa dapat dilihat pada persamaan 2.6 sebagai berikut :

P f n s s . 120

Di mana : n_s = Kecepatan medan putar stator (rpm)

s

f = Frekuensi sumber tegangan (Hz)

P = Jumlah kutub

Medan putar ini selanjutnya akan memotong batang-batang konduktor dari kumparan-kumparan rotor sehingga pada ujung-ujung kumparan rotor akan timbul

tegangan induksi. Tegangan induksi ini disimbolkan dengan E_r. Adapun besar

tegangan induksi ini dapat dilihat pada persamaan 2.7 sebagai berikut :

m r s

r f N

E 4,44. . . ... (2.7)

Di mana : E_r = Tegangan induksi saat rotor start (Volt)

r

N = Jumlah belitan efektif rotor

m

 = Nilai fluksi maksimum (Weber)

Bila motor induksi tersebut menggunakan rotor berjenis rotor belitan, maka besarnya arus rotor pada motor induksi tergantung pada tahanan luar (rheostat) motor dan tahanan rotor itu sendiri. Arus listrik yang mengalir pada kumparan-kumparan rotor motor induksi tiga fasa ini akan menimbulkan gaya listrik. Adapun besarnya gaya listrik dapat dilihat pada persamaan 2.8 sebagai berikut :

L I B

F  . _r. ... (2.8)

Di mana : F = Gaya listrik (Newton) B = Kerapatan fluks (Weber/m2)

I_r = Arus rotor (ampere)

Pada motor induksi tiga fasa berjenis rotor belitan terdapat adanya tiga cincin (slip-ring) yang masing-masing dihubung singkat oleh operator. Namun pada umumnya ujung-ujung sikat sebelum dihubung singkat biasanya masing-masing dihubung paralel terhadap tahanan luar (rheostat), hal ini dilakukan untuk

mengurangi arus rotor

 

I_r . Di bawah ini dapat kita lihat pada Gambar 2.10 yaitu

motor induksi rotor belitan dengan tahanan luar hubungan wye.

1

3 2

[image:30.595.232.373.283.473.2]

ce sis StartingRe tan

Gambar 2.10. Motor Induksi Rotor Belitan dengan Tahanan Luar Hubungan Wye Keterangan : 1. Cincin (Slip Ring)

2. Sikat

3. Resistansi Variabel (Rheostat)

Bila jari-jari kumparan rotor adalah r, maka besarnya momen putar dapat dilihat pada persamaan 2.9 sebagai berikut :

r F

T_r  . ... (2.9)

Di mana : T_r = Momen Putar (N.m)

Momen putar rotor ini akan bergerak searah dengan medan putar stator. Namun bergerak atau tidaknya rotor berputar tergantung dari besarnya beban yang dipikul oleh motor induksi. Bila besar beban yang dipikul oleh motor induksi melebihi momen putar rotor maka rotor tidak akan berputar. Di dalam hal ini jelas

adanya perbedaan kecepatan dari medan putar stator

 

n_s dengan kecepatan momen

putar rotor

 

n_r . Perbedaan kecepatan ini biasanya disebut dengan slip. Adapun

besarnya slip motor induksi dapat dilihat pada persamaan 2.10 sebagai berikut :





s r s n n n

s   ... (2.10)

Dimana : s = slip

n_s= kecepatan medan putar stator

n_r= kecepatan medan putar rotor

Oleh karena perbedaan kecepatan medan putar stator

 

n_s dengan kecepatan

momen putar rotor

 

n_r merupakan syarat agar rotor dapat berputar maka slip ini

akan mempengaruhi frekuensi rotor dan tegangan induksi pada kumparan rotor. Adapun besar frekuensi rotor dapat dilihat pada persamaan 2.11 sebagai berikut :





120 . s r r

n n P

f  





s r s s n n n n P   . 120 . s f

f_r  _s. (Hz) ... (2.11)

Adapun besarnya tegangan induksi pada saat kumparan rotor sedang berputar dapat dilihat pada persamaan 2.12 adalah sebagai berikut :

m r r

rs f N

m r s s N

f . . . . 44 , 4  s E

E_rs  _r. (Volt) ... (2.12)

Adapun besar reaktansi rotor pada saat start dapat dilihat pada persamaan 2.13 sebagai berikut :

r r

rs f L

X 2.. .

s X

X_rs 2. _r. ( Ω ) ... (2.13)

2.4 Faktor Daya

Faktor daya yang dinotasikan sebagai cos φ didefinisikan sebagai

perbandingan antara arus yang dapat menghasilkan kerja didalam suatu rangkaian terhadap arus total yang masuk kedalam rangkaian atau dapat dikatakan sebagai perbandingan daya aktif (kW) dan daya semu (kVA). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu. Maka dapat dilihat pada persamaan 2.14, 2.15, 2.16, dan 2.17:

P = V.I. cos φ……… (2.14) S = V.I ………... (2.15)

P = S cos φ………. (2.16)

cos φ

=

………. (2.17)

 ' KVA

KVAR

KW

A

B C

 '

KVA

KVAR

KW

A

B C

[image:33.595.184.455.306.415.2]

Untuk keadaan ideal, arus dan tegangan berada dalam satu fasa sehingga faktor daya sama dengan 1,0 atau 100 %. Kondisi ini tidak mungkin diperoleh, karena kebutuhan daya reaktif di atas. Jadi motor induksi tiga fasa ini membutuhkan arus magnetisasi yang dapat mempengaruhi faktor daya pada keadaan tanpa beban, tetapi dalam keadaan beban penuh pengaruh ini pada prakteknya dapat diabaikan. Oleh sebab itu kondisi pembebanan penuh dan tanpa beban dari motor akan mengakibatkan adanya besaran relatif pada faktor daya, seperti Gambar 2.11.

Gambar 2.11. Diagram akibat relatif pada faktor daya motor induksi tiga fasa dalam keadaan berbeban

Untuk semua pembebanan, arus magnetisasi umumnya adalah konstan dan komponen reaktif menjadi terbelakang tepat 90_ºterhadap tegangan. Arus bolak-balik stator yang diberikan oleh tegangan bolak-balik sumber pada stator akan membangkitkan medan magnet bolak-balik yang menembus rotor. Dimana tegangan bolak-balik sumber adalah tetap tanpa dipengaruhi oleh beban.

Dari gambar rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa (Gambar 2.8), arus

stator

 

I_s , adalah penjumlahan vektor dari arus magnetik

 

I_m , yaitu arus yang

memberikan energi pada belitan dan inti untuk menghasilkan medan magnet; dan

arus rotor. Ggl E_s adalah tegangan V_s dikurangi tegangan jatuh karena adanya

tahanan R_s dan reaktansi X_s pada stator. Kenaikan beban akan menaikkan arus

rotor I_r'. Pada beban penuh, arus rotor I_r' akan jauh lebih besar dari pada arus

magnetik I_m yang besarnya relatif konstan. Akibatnya sudut  yang dibentuk antara

arus stator dan tegangan stator mengecil (Gambar 2.12a) yang berarti faktor daya

[image:34.595.133.503.332.544.2]



cos



motor membesar, dan motor tampak sebagai beban resistif. Berikut adalah

Gambar 2.12 diagram fasor motor induksi tiga fasa.

a b s V s s jX I . s s R I . E 2

 Is

' r I o I m I r I s V s s jX I . s s R I . E s I ' r I o I m I r I 1 

Gambar 2.12.(a) beban nominal (b) beban rendah

Pada beban rendah, I_r' juga rendah. I_r' yang rendah akan mengurangi

tegangan jatuh pada R_s dan X_s sehingga ggl E_s motor akan naik (gambar 2.12b).

kenaikan E_s akan menaikkan arus magnetik I_m dan rugi-rugi inti naik. Sudut antara

arus stator dan tegangan stator

 

 membesar, yang berarti faktor dayanya kecil dan

Gambar 2.13, segitiga daya beban penuh, ACB dengan faktor daya ₁ apabila

beban turun dengan daya nyata turun dari CB ke CD maka faktor dayanya adalah

pada ₂ karena dalam hal ini besar KVA-nya tetap. Dapat kita lihat pada Gambar

[image:35.595.205.437.230.364.2]

2.13 dibawah :

Gambar 2.13. Diagram vektor segitiga daya dengan perubahan faktor daya akibat perubahan beban

2.5 Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Tiga Fasa

Motor induksi dapat dioperasikan sebagai generator bila motor diputar oleh sebuah penggerak mula (prime mover) melebihi kecepatan sinkronnya (kecepatan medan putar) dan tersedianya suatu sumber daya reaktif untuk kebutuhan arus eksitasi.

Motor induksi sebagai generator kini telah luas penggunaannya pada pembangkit-pembangkit listrik energi terbarukan seperti pada PLTMh dan PLTAngin. Penggunaan motor induksi rotor sangkar pada

Penggunaan motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi dengan daya keluaran satu fasa menjadi suatu pilihan untuk pelistrikan daerah-daerah terpencil yang memang beban-beban yang umumnya digunakan adalah satu fasa, selain itu juga dikarenakan biaya distribusi dan proteksi yang lebih rendah bila

dibandingkan dengan menggunakan sistem jaringan tiga fasa.

Motor induksi tiga fasa dapat dijadikan generator induksi dengan keluaran satu fasa. Metode yang digunakan, yang juga diaplikasikan dalam tugas akhir ini adalah dengan menggunakan konfigurasi C-2C. Konfigurasi ini merupakan pengaturan nilai kapasitansi kapasitor pada motor induksi tiga fasa yang belitan statornya terhubung segitiga (Δ), dengan memberikan kapasitor sebesarC pada antar

fasa yang satu dan sebesar 2C pada antar fasa yang lainnya, sementara pada antar fasa yang ketiga tidak ada.

2.6 Keunggulan dan Kelemahan Penggunaan Motor Induksi Tiga Fasa

Sebagai Generator

Motor induksi tiga fasa yang umum digunakan sebagai generator adalah motor induksi jenis sangkar tupai (squirrel cage). Penggunaan motor induksi jenis ini sebagai generator pada pembangkit-pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air (mikro hidro) pada daerah terpencil dikarenakan beberapa keuntungan yang dimilikinya. Beberapa keuntungan tersebut adalah :

a. Ketersediaan

b. Harga

Motor induksi untuk kapasitas yang kecil (0,5 – 50 kW) harganya lebih murah dan penggunaannya sebagai generator lebih ekonomis dibandingkan dengan generator sinkron.

c. Kesederhanaan

Motor induksi yang dipergunakan sebagai generator tidak memerlukan sistem eksitasi (sumber arus searah) dan peralatan pengatur tegangan (AVR = Automatic Voltage Regulator) seperti halnya pada generator sinkron.

d. Konstruksi

Motor induksi sangkar tupai dalam penggunaannya sebagai generator memiliki konstruksi yang kokoh dan cukup sederhana dikarenakan ketiadaan slip ring dan sikat.

e. Perawatan

Dalam penggunaanya sebagai generator, kita dihadapkan pada beberapa masalah mengenai kelemahan-kelemahan yang dimiliki oleh motor induksi. Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain :

a. Dibutuhkan perhitungan

Motor induksi sebagai generator tidak akan bekerja (dengan baik) tanpa kapasitor eksitasi terpasang dengan nilai yang sesuai dengan kebutuhan daya reaktif mesin, sementara generator sinkron umumnya dapat dibeli dengan keadaan yang siap pakai.

b. Dibutuhkan sumber daya reaktif eksternal

Motor induksi sebagai generator tidak dapat memproduksi daya reaktif dengan sendirinya, tetapi membutuhkan sumber daya reaktif eksternal baik itu dari sumber jala-jala ataupun kapasitor.

Walaupun memiliki beberapa kelemahan, akan tetapi kelemahan-kelemahan tersebut masih dapat diatasi. Oleh karena itu motor induksi sebagai generator mempunyai keuntungan yang jauh lebih banyak dari pada generator sinkron dalam penggunaannya untuk pembangkit listrik pada daerah-daerah terpencil.

2.7 Syarat – syarat Pengoperasian Motor Induksi Sebagai Generator

generator dari mesin tersebut. Kondisi-kondisi tersebut akan dijelaskan sebagai berikut.

2.7.1 nr _> ns

[image:39.595.122.523.379.641.2]

Untuk mengoperasikan motor induksi sebagai generator diperlukan daya mekanis yang berasal dari penggerak mula (prime mover) untuk memutar rotor diatas kecepatan sinkronnya (nr > ns), dimana daya mekanis ini dapat diperoleh dari tenaga air (mikro hidro), tenaga angin, atau mesin diesel atau dengan kata lain mesin bekerja pada slip negatif (s < 0). Dengan menggunakan persamaan yaitu ns = 120 dan s =

Dari kurva karakteristik torsi-kecepatan pada gambar 2.14 dapat kita lihat bahwa, apabila sebuah motor induksi digerakkan pada suatu kecepatan yang lebih besar dari kecepatan sinkronnya, arah dari torsi induksinya akan berbalik dan motor akan bertindak sebagai sebuah generator. Dengan bertambahnya torsi yang diberikan oleh penggerak mula, besar daya yang dihasilkan oleh generator induksi juga bertambah.

2.7.2 Adanya Sumber Daya Reaktif

Sebagai sebuah generator, mesin induksi memiliki kelemahan karena tidak memiliki rangkaian medan yang terpisah untuk dapat menghasilkan daya reaktif, dimana pada kenyataannya generator induksi sendiri mengonsumsi daya reaktif. Dengan demikian, diperlukan suatu sumber daya reaktif eksternal yang terhubung ke generator untuk dapat memenuhi kebutuhan daya reaktif sebagai sumber arus eksitasi. Tanpa adanya daya reaktif, motor induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak akan menghasilkan tegangan.

[image:41.595.135.507.115.270.2]

Gambar 2.15. Generator Induksi Terhubung ke Sistem Jaringan 3-Fasa

Untuk motor induksi tiga fasa sebagai generator yang beroperasi sendiri, kebutuhan daya reaktif tidak dapat lagi diperoleh dari jala-jala. Untuk kondisi yang demikian, kebutuhan daya reaktif dapat diperoleh generator dari suatu unit kapasitor. Kapasitor tersebut dihubungkan pararel dengan terminal keluaran generator. Kapasitor yang terpasang harus mampu memenuhi kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluksi di celah udara. Karena generator dapat melakukan eksitasi sendiri tanpa memerlukan sumber eksternal dari jala-jala, maka disebut juga generator induksi penguatan sendiri.

[image:41.595.130.518.537.722.2]

[image:42.595.228.414.305.495.2]

Arus magnetisasi Im yang dibutuhkan oleh sebuah motor induksi yang dioperasikan sebagai generator, sebagai fungsi dari tegangan terminal, dapat ditemukan dengan menjalankan mesin sebagai motor pada keadaan beban-nol dan mengukur arus jangkarnya sebagai fungsi dari tegangan terminal. Kurva magnetisasi tersebut ditunjukkan oleh gambar 2.17. Untuk memperoleh tingkat tegangan yang diberikan pada generator induksi, kapasitor-kapasitor eksternal harus dapat menyuplai arus magnetisasi yang sesuai dengan tingkat tegangan tersebut.

[image:42.595.225.404.533.732.2]

[image:43.595.195.443.254.472.2]

Karena arus reaktif yang dapat diproduksi oleh kapasitor berbanding lurus terhadap tegangan yang diberikan kepadanya, lokus dari semua kemungkinan kombinasi tegangan dan arus melalui sebuah kapasitor merupakan sebuah garis lurus. Plot antara tegangan dan arus tersebut untuk suatu nilai frekuensi ditunjukkan pada gambar 2.18.

Gambar 2.19. Kurva Karakteristik Tegangan Terminal Generator Induksi pada Keadaan Tanpa Beban

2.8 Kapasitor pada Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator

2.8.1 Umum

Kapasitor secara sederhana didefinisikan sebagai suatu peralatan yang terdiri dari dua buah keping/plat konduktor yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik, yang memiliki kemampuan untuk dapat menyimpan energi listrik. Bahan-bahan dielektrik yang umumnya digunakan misalnya udara vakum, keramik, gelas, dan lainnya.

Sedangkan kapasitansi kapasitor (C) didefinisikan sebagai jumlah muatan yang mampu diterima dan disimpan oleh kapasitor untuk setiap nilai tegangan dari potensial yang diberikan.

C = ……… (2.18) dimana,

Q = muatan listrik (coulomb)

C = kapasitansi kapasitor (farad)

V = tegangan kapasitor (Volt)

Kapasitor yang umumnya cocok digunakan sebagai kapasitor eksitasi pada generator induksi penguatan sendiri adalah jenis motor run, yang juga biasa digunakan pada motor induksi satu fasa. Penggunaan kapasitor jenis motor start

harus dihindari, karena jenis ini tidak didesain pada penggunaan secara kontinyu.

Rating tegangan kapasitor biasanya berkisar 380 – 450 V, meskipun terkadang ada juga jenis untuk ukuran 220 – 240 V.

secara individual/perfasa, akan sulit didapatkan nilai kapasitansi yang sesuai dengan kebutuhan. Dalam penggunaannya, disarankan agar digunakan kapasitor pada rating

tegangan yang lebih besar dari nilai kapasitansi yang dibutuhkan untuk pengoperasian generator. Hal ini dilakukan agar kapasitor memilki umur kerja yang lebih lama.

2.8.2 Pemasangan Kapasitor

Untuk generator induksi yang membangkitkan tegangan tiga fasa, kapasitor eksitasi dapat dihubungkan baik itu segitiga (Δ) ataupun bintang (Y). Bentuk sistem

[image:45.595.128.489.419.540.2]

konfigurasi pemasangan kapasitor eksitasi tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah.

Gambar 2.20. Hubungan Bintang (Y) dan Segitiga (Δ) pada Kapasitor Eksitasi

Kapasitor yang dihubungkan bintang atau segitiga adalah mempunyai hubungan sebagai berikut :

………. (2.19)

= =

= ……….… (2.21) Karena C = ……….…. (2.22) Maka = ……….... (2.23)

Sehingga jika kapasitor dihubungkan bintang ( Y ), maka nilai kapasitansi yang dibutuhkan adalah tiga kali nilai kapasitansi bila terhubung segitiga (Δ).

2.8.3 Perhitungan Besar Kapasitansi Kapasitor

Pada generator induksi penguatan sendiri (self-excited), kapasitor induksi merupakan satu-satunya sumber daya reaktif eksternal. Dengan demikian, agar diperoleh tegangan operasi yang sesuai dengan kebutuhan pada frekuensi yang diinginkan, besar kapasitansi untuk kapasitor eksitasi yang terpasang harus ditentukan dengan baik.

Untuk memperoleh nilai pendekatan, perhitungan kebutuhan kapasitansi kapasitor eksitasi generator induksi tiga fasa dapat diperoleh melalui dua metode, yaitu melalui percobaan beban nol dan data pabrikan (name plate) dari motor induksi tiga fasa.

 Percobaan Beban Nol

Data hasil percobaan beban nol dapat digunakan untuk menghitung kapasitansi eksitasi karena daya semu yang ditarik oleh motor induksi pada keadaan beban nol mendekati nilai daya reaktif yang dibutuhkan oleh mesin ketika bekerja sebagai generator.

VA ………... (2.24) Dari penjelasan diatas diketahui bahwa :

VAR ……….... (2.25)

 Data pabrikan (name plate)

Dari data yang ada pada name plate mesin, seperti tegangan operasi, arus beban penuh, dan cos φ, maka dapat dihitung daya semu pada keadaan

beban penuhnya :

VA ……….... (2.26) Watt ………... (2.27) Dari persamaan segitiga daya dapat diperoleh nilai daya reaktif :

………..……... (2.28)

Dari hasil perhitungan kebutuhan daya reaktif, baik itu yang diperoleh dari metode percobaan beban nol maupun data name plate motor, kemudian perhitungan dilanjutkan sebagai berikut.

Daya reaktif yang dibutuhkan per fasa :

Qfasa= ……… (2.29)

 Hubungan bintang (Y) :

VpY = Volt ...………..………… (2.30)

Xc = = , maka

C/fasa y = µF ……….. (2.31) Atau,

= = µF ………. (2.32)

 Hubungan segitiga (∆) :

Vp∆=Vl∆Volt ………... (2.33)

Ic = Ampere ………... (2.34)

C/fasa∆= µF ………...………... (2.35) = = ……….. (2.36) Dimana,

V0/I0= tegangan/arusline to linekeadaan beban nol.

VlY= teganganline to linekapasitor hubungan bintang (Y)

Vl∆= teganganline to linekapasitor hubungan segitiga (∆)

VpY= tegangan per fasa kapasitor hubungan bintang (Y)

Vp∆= tegangan per fasa kapasitor hubungan segitiga (∆)

2.9 Prinsip Kerja Generator Induksi

2.9.1 Prinsip Kerja Pembangkitan Tegangan

[image:49.595.120.511.442.681.2]

Motor induksi akan dapat dioperasikan sebagai generator, bila terdapat daya mekanis yang mampu memutar poros rotor untuk berputar lebih cepat dari kecepatan sinkronnya (medan putar). Selain itu diperlukan juga sumber daya reaktif yang berasal dari suatu unit kapasitor eksitasi untuk kebutuhan arus magnetisasi, agar proses pembangkitan tegangan dapat terjadi.

Gambar 2.21 memperlihatkan secara skematis prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri. Prime mover yang digunakan untuk memutar rotor, kapasitor eksitasi yang dihubungkan segitiga yang tersambung ke terminalnya, dan daya yang dihasilkan disuplai ke beban. Rangkaian ekivalen generator induksi sendiri diperlihatkan pada gambar 2.22 (a).

Hal yang paling penting agar terjadinya pembangkitan tegangan dalam proses kerja generator induksi penguatan sendiri adalah keberadaan magnet sisa (residual magnetism) pada inti rotor atau kapasitor eksitasi yang digunakan harus mempunyai muatan listrik terlebih dahulu.

[image:50.595.215.429.384.652.2]

Untuk dapat memahami prinsip kerja pembangkitan tegangan dari generator induksi penguatan sendiri, cara paling mudah adalah dengan merepresentasikan mesin secara sederhana dalam bentuk rangkaian ekivalen, dengan Xm (reaktansi magnetisasi) pararel dengan Xc (reaktansi kapasitif) dari kapasitor eksitasi dan ggl induksi yang kecil Erem dari magnet sisa yang terdapat di rotor seperti ditunjukkan pada gambar 2.22 (b).

Gambar 2.22. (a) Rangkaian Ekivalen per-Fasa Generator Induksi

[image:51.595.186.455.420.627.2]

Dengan berputarnya rotor, maka fluksi sisa yang terdapat di belitan rotor membentuk ggl induksi awal Erem pada belitan stator. Tegangan sebesar Erem ini, pada terminal mesin yang dihubungkan dengan kapasitor, kemudian menghasilkan arus Ia pada kapasitor. Arus Ia 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 Ea. Tegangan sebesar Ea ini akan menghasilkan arus Ib pada kapasitor, yang kemudian akan menambah jumlah fluksi celah udara, sehingga dihasilkan ggl induksi yang lebih besar lagi yaitu Eb. Eb ini kemudian menghasilkan arus Ic, dan kemudian membentuk ggl induksi Ec. Demikian proses ini berjalan terus sampai akhirnya mencapai titik kesetimbangan E = VC seperti ditunjukkan pada gambar 2.23

Gambar 2.23. Proses Pembangkitan Tegangan

proses eksitasi. Jika kapasitor yang dipasang lebih kecil dari kapasitor minimum yang diperlukan, maka proses pembangkitan tegangan untuk nilai tegangan yang kita inginkan tidak dapat terpenuhi.

2.9.2 Proses Pengendalian Tegangan

Tegangan keluaran generator induksi dapat dinaikkan atau diturunkan, baik itu pada keadaan berbeban atau tanpa beban dengan cara merubah besar tegangan induksi pada rangkaian magnetik Xm. Perubahan tegangan induksi ini dapat terjadi bila arus magnetisasi yang mengalir pada Xm ditambah atau dikurangi. Arus magnetisasi ini berfungsi untuk menghasilkan gaya gerak magnet (ggm) pada kumparan stator yang akan menghasilkan fluksi celah udara, dengan memperhatikan persamaan berikut :

………. (2.37) ……….. (2.38) Dimana diketahui persamaan tegangan induksi adalah sebagai berikut :

……… (2.39) Dimana,

= gaya gerak magnet (Ampere.turns) N = jumlah lilitan

Im = arus magnetisasi (Ampere) = fluks magnetic (Weber)

Dari persamaan (2.39) diketahui bahwa besar fluksi akan mempengaruhi besar tegangan induksi yang akan dihasilkan pada rangkaian magnetik. Dengan demikian perubahan pada arus magnetisaasi akan mempengaruhi nilai tegangan keluaran yag dihasilkan.

Dalam prakteknya ada beberapa cara untuk melakukan pengaturan tegangan generator induksi. Dengan menambah atau mengurangi nilai kapasitansi menyebabkan arus kapasitif yang mengalir pada rangkaian magnetiknya mengalami kenaikan atau penurunan (perhatikan gambar 2.23), dengan demikian akan diperoleh perubahan nilai tegangan induksi, yang artinya akan merubah tegangan keluaran yang dihasilkan generator.

Pengaturan tegangan keluaran generator induksi juga dapat dilakukan dengan cara merubah kecepatan putaran generator. Perubahan kecepatan putaran generator akan menyebabkan perubahan pada frekuensi yang dihasilkan, diketahui bahwa reaktansi kapasitif dan magnetik dipengaruhi oleh frekuensi.

2.10 Generator Induksi Tiga Fasa Dengan Keluaran Satu Fasa

Generator induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator satu fasa. Hal ini dapat dilakukan dengan menerapkan metode dalam konfigurasi kapasitor eksitasinya. Pengoperasian generator induksi seperti ini biasanya dilakukan pada pembangkit mikro-hidro dengan skala kecil yang melayani beban-beban satu fasa dalam jumlah yang kecil.

2.10.1 Metode Untuk Memperoleh Keluaran Satu Fasa dari Generator Induksi

Tiga Fasa

Metode yang dapat dilakukan untuk dapat memperoleh keluaran satu fasa dari generator induksi tiga fasa dengan tetap mempertahankan mesin dalam kondisi yang seimbang adalah sebagai berikut :

1. Dengan menggunakan motor induksi tiga fasa yang sesuai untuk pengoperasian 220/380 V dan pada statordihubungkan segitiga (Δ).

2. Hitung kebutuhan kapasitansi per fasa (C) kapasitor eksitasi yang dibutuhkan untuk pengoperasian tiga fasa 240 V hubungan segitiga.

2.10.2 Rangkaian Hubungan Kapasitor dan Diagram Fasor Generator Induksi

Tiga Fasa Dengan Keluaran Satu Fasa

Dari gambar 2.24, dengan mengasumsikan bahwa beban yang terhubung , yang mana merupakan beban konsumen dan beban penyeimbang (ballast) adalah konstan dan resistif, dapat kita peroleh persamaan :

[image:55.595.187.460.340.521.2]

……….. (2.42) ………. (2.43)

Gambar 2.24. Rangkaian Generator Induksi Tiga Fasa dengan Keluaran Satu Fasa

[image:56.595.193.441.112.333.2]

Gambar 2.25. Diagram Fasor untuk Hubungan Satu Fasa

Dengan kapasitor C2 dihubungkan melalui fasa S dan T, vektor iT tegak lurus terhadap vektor VST. Untuk mendapatkan operasi dalam keadaan mesin yang seimbang, maka kondisi berikut harus terpenuhi :

dan ………...… (2.45) Dimana kondisi tersebut terpenuhi apabila dan kemudian dari persamaan (2.45) didapatkan .

Keadaan untuk operasi yang seimbang dari generator induksi dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan arus. Dari gambar 2.25, dengan memperhatikan segitiga OAB, dengan menggunakan kondisi pada persaamaan (2.45), dapat diperoleh :

………...… (2.49) Untuk beban-beban yang resistif, agar generator induksi dengan sistem kapasitor eksitasi C-2C berlaku sebagai mesin tiga fasa yang seimbang maka kondisi pada persamaan (2.49) harus dapat terpenuhi. Apabila kondisi pada persamaan (2.49) tidak dapat dipenuhi, maka generator induksi akan berlaku sebagai mesin tidak seimbang dan sebagai hasilnya mesin akan cepat panas, mengalami pemanasan berlebih dan kurang efisien.

[image:57.595.172.466.446.589.2]

Ketika sebuah generator digunakan dengan cara seperti ini, perhatian khusus harus diberikan pada hubungan dari kapasitor yang terpasang. Jika kapasitor C2 salah ditempatkan, misalnya dihubungkan di antara fasa T dan R sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.26, maka diagram fasornya adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.27.

Gambar 2.26. Hubungan yang Salah pada Kapasitor Eksitasi

[image:58.595.194.451.170.389.2]

lainnya. Pada kondisi ini, belitan generator akan mengalami pemanasan yang berlebih. Untuk itu, hubungan yang benar dari kapasitor C2 adalah penting.

Gambar 2.27. Diagram Fasor dari Hubungan Kapasitor Eksitasi yang Salah

2.11 Aliran Daya dan Efisiensi Generator Induksi Tiga Fasa

2.11.1 Aliran Daya

Aliran daya aktif generator induksi penguatan sendiri dapat dilihat pada gambar 2.28.

Diagram aliran daya aktif generator induksi tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

Pm=Pporos–PFW……… (2.50)

PAG=Pm–PRCL……….. (2.51)

PL=PAG–PSCL–Pcore……….…….. (2.52)

Dimana,

Pm = daya masukan mekanis bersih (Watt)

PFW = rugi-rugi gesekan dan angin (Watt)

PAG = daya celah udara (Watt)

PRCL = rugi-rugi tembaga rotor (Watt)

PSCL = rugi-rugi tembaga stator (Watt)

Pcore = rugi-rugi inti stator (Watt)

PL =daya kenalan generator (Watt)

2.28.Diagram Aliran Daya Aktif

Rugi-rugi gesekan dan angin Pg+a dan rugi-rugi inti stator Pi biasanya dianggap konstan dan disebut rugi-rugi beban nol. Sedangakan rugi-rugi tembaga stator dan rotor besarnya tidak tetap tergantung arus beban.

2.11.2. Efisiensi

= − − ... (2.53)

Efisiensi motor adalah perbandingan antara daya keluaran yang berguna dengan daya masukan total, yaitu dilihat pada persamaan 2.54 sebagai berikut:

= 100%... (2.54)

Faktor daya atau power factor (pf) merupakan salah satu kreiteria untuk menentukan kualitas daya listrik. rendahnya faktor daya akan mengakibatkan memburuknya karakteristik kerja dari suatu peralatan listrik, baik dari segi teknis operasional maupun dari segi ekonomis. Adapun penyebab rendahnya faktor daya adalah 1) Penggunaan motor-motor listrik sebagai tenaga penggerak, dan 2) Pemakaian lampulampu yang menggunakan balast atau lilitan untuk penyalaan awal, seperti lampu TL dan lampu mercury. Faktor daya sebagai cosinus dari sudut perbedaan fasa, didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya tersambung atau daya aktif (P) dengan daya terpakai atau daya nyata (VA), yang mana besarannya bervariasi antara 0 (nol) sampai 1 (satu), secara matematis dapat dituliskan pada persamaan 2.56, 2.57, dan 2.58 sebagai berikut :

= V.I.cos φ ………. (2.56)

= V.I ……… (2.57)

.

. = ……….. (2.58)

Dari persamaan 2.59 diatas dapat juga ditulis ;

= = = ... (2.59)

oleh suatu media isolasi yang disebut dielektrium. Kondensator yang umum digunakan adalah yang terbuat dari pelat tipis dari jenis logam aluminium, lapisan perak tipis dan lain-lain. Sedangkan dielektriumnya digunakan antara lain udara, mika, kertas, oksida logam dan lain-lain. Besar kapasitansi dari sebuah kapasitor yang akan digunakan untuk memperbaiki daya reaktif yang diakibatkan oleh menurunnya faktor daya adalah pada persamaan 2.60 seperti berikut ini :

= ...(2.60)

dengan Qc = daya reaktif kapasitif, f = frekuensi jala-jala listrik dan V = tegangan jala-jala listrik.

2.11.3. Perbaikan Torsi dan Efesiensi dengan Memperbaiki Faktor Daya

dengan Kapasitor

Salah satu cara untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan memasang kompensasi kapasitif menggunakan kapasitor. Pada konsumen level industri istilah ini lebih dikenal dengan sebutan pemasanganpower factor correction(PFC). Pemasangan PFC disini sama artinya dengan pemasanganPF controller(kumpulan dari kapasitor-kapasitor yang dipasang secara paralel).

Metode untuk meningkatkan faktor daya di berikan dibawah ini: Faktor daya dapat diperbaiki dengan menghubungkan condenser static.

Faktor daya dapat dihubungkan secara kondenser static/kapasitor secara parallel dengan perlengkapan, dimana faktor daya akan ditingkatkan. kondenser ini

komponen reaktif ekstensial dari arus yang masuk dan itu dapat memperbaiki faktor daya.

[image:62.595.237.455.233.377.2]

Kapasitor dapat dihubungkan juga dalam wye atau delta sebagaimana diperlihatkan dibawah pada Gambar 2.29 dan Gambar 2.30 secara jelas.

Gambar 2.29.Kapasitor Dihubung Wye

Gambar 2.30.Kapasitor Dihubung Delta

[image:62.595.247.443.442.598.2]

Perhatikan arus yang masuk pada pf cos φ digambarkan dengan alat

[image:63.595.162.381.211.331.2]

sebagaimana berikut pada Gambar 2.31 dibawah :

Gambar 2.31.Diagram Vektor Pada Kapasitor Arus ini “I” dapat di pisahkan ke dalam dua komponen,

(i) I cos φ adalah komponen nyata

(ii)I sin φ komponen reaktif nyata (mengalir di belakang tegangan 90 )

Sekarang jika sebuah kapasitor dihubungkan parallel dengan motor, maka hal itu menggambarkan arus tambahan, dari supply sama dengan I sin φ tetapi

mendahului tegangan sebesar 90 kemudian dua komponen reaktif seimbang dan faktor daya menyatu. Dengan demikian nilai dari kapasitansi adalah dideterminasikan dimana dapat menggambarkan arus “I sin φ”.

V= tegangan fasa pada catu I = arus fasa

Dengan demikian pada persamaan 2.61 diperoleh,

= arus digambarkan oleh kapasitansi seharusnya sama dengan I sin φ = I sin φ

I c

os φ

I sin φ

I

=I 1−

= I √1−( . ) ………...… (2.61) Tetapi,

= ……….. (2.62)

= ……….… (2.63)

Membandingkan persamaan 2.62 dan persamaan 2.63

= 2 = 1−( . ) ………... (2.64)

C = / 1−( . ) ………... (2.65)

Ini merupakan nilai C jika kapasitor dihubungkan dalam bintang. Jika kapasitor dihubungkan dalam delta kemudian nilai kapasitor dihubungkan, Dimana persamaan 2.65 membuat p.f. unity diberikan oleh :

C = / = 1−( . ) ………. (2.66)

Torsi (M) dibangkitkan pada poros motor atau mesin penggerak dengan kecepatan putaran (n). Pada motor listrik, gaya bekerja pada keliling lingkaran poros. Kecepatan pada keadaan ini tergantung pada kecepatan putaran (n) dan radius poros (r). Kecepatan putaran menunjukkan berapa kali bagian tersebut berputar mengelilingi garis tengah poros untuk waktu tertentu.

Titik atau bagian tersebut menempuh lintasan sebesar S=2.π.r (garis keliling lingkaran poros) Kecepatan titik ini adalah : V = n . 2 . .π . r. Sehingga gaya (F)

Daya mekanis mempunyai satuan Newton meter per menit dan torsi satuannya adalah Newton meter sedangkan kecepatan putaran adalah rpm maka, dengan membagi persamaan di atas yaitu 60 detik/menit kemudian dibagi lagi dengan 1000, diperoleh bahwa: P = 2 . π / 60 . 1000 . n . M KW, maka persamaan ini menjadi : P =

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Proses Pengambilan Data

[image:66.595.220.400.284.606.2]

Metode yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah metode pengukuran, dimana berdasarkan data yang diperoleh dengan mengikuti prosedur dalam Blok Diagram pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1Blok Diagram Sistem Mulai

Pemilihan Area

Penentuan Besar Nilai Kapasitor

Perhitungan Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator

Hasil

3.1.1 Sistem Pengukuran

Pada tahap ini, pengukuran dilakukan untuk mengetahui pengaruh perbaikan faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi tiga fasa keluaran satu fasa.

3.1.2 Tempat dan Waktu

Percobaan pengaruh perbaikan faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi tiga fasa keluaran satu fasa ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik F.T. USU Medan pada hari Senin sampai dengan Kamis, tanggal 24 Oktober 2013, pukul 09.00 WIB – 16.00 WIB.

3.1.3 Alat dan Bahan

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian pengaruh perbaikan faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi tiga fasa keluaran satu fasa dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik F.T. USU Medan Medan adalah sebagai berikut :

1. Motor induksi 3 fasa ( berfungsi sebagai motor ). Tipe : Rotor Belitan

Spesifikasi : - AEG Typ C AM 112 MU 4 R1

- Δ / Y 220/ 380 V ; 10,7 / 6,2 A - 2,2Kw, cos φ 0,67

- 1410 rpm, 50 Hz - Kelas isolasi : B

Spesifikasi : - G-GEN Typ G1 110/ 140

- 220 V

- Arus Jangkar 9,1 A - Arus Medan 0,64 A - 2 Kw

- 1500 rpm, 50 Hz - Kelas Isolasi B

3. Kapasitor sebagai sumber eksitasi 3 buah sebesar 16μF 4. Kabel penghubung

5. Power Supply AC 3 phasa ( PTAC )

6. Power Supply DC ( PTDC )

7. Lampu pijar sebagai beban resistif : 25 Watt 10 unit.

8. Papan rangkaian pen-switch hubungan kapasitor Δ ke C-2C

9. Alat ukur : - amperemeter

- voltmeter

- wattmeter

3.2 Proses pengukuran

Dalam proses pengukuran ini, dilakukan beberapa percobaan untuk melihat pengaruh perbaikan faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi tiga fasa keluaran satu fasa yang besar nilai kapasitornya terlebih dahulu ditentukan.

3.2.1 Percobaan Tahanan DC Pada Belitan Stator

Percobaan ini dilakukan untuk mendapatkan parameter motor induksi tiga fasa.

3.2.1.1 Rangkaian Percobaan

[image:69.595.159.482.426.564.2]

Rangkaian percobaan tahanan DC pada belitan stator ditunjukkan pada gambar.

Gambar 3.2Rangkaian Percobaan Dengan Suplai DC 3.2.1.2 Prosedur Pengukuran

Berikut adalah prosedur percobaan :

1. Hubungan belitan stator dibuat hubungan Y, yang akan diukur adalah dua dari ketiga phasa belitan stator.

3. Tegangan DC suplai dinaikkan sampai besar tegangan adalah 1 volt. 4. Ketika tegangan menunjukkan pada besaran 15,4 volt, penunjukan alat

ukur voltmeter dan amperemeter dicatat. 5. Jika telah selesai rangkaian dilepas.

3.2.2 Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator

Induksi dengan Keluaran Satu Fasa

Percobaan ini bertujuan untuk melihat pengaruh perbaikan faktor daya terhadap regulasi tegangan dan efisiensi generator induksi. Adapun percobaan untuk semua besar pembebanan dilakukan sebanyak lima kali dengan nilai beban yang berbeda.

3.2.2.1 Rangkaian Percobaan

[image:71.595.118.508.84.335.2]

Gambar 3.3Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa

3.2.2.2 Prosedur Pengukuran

Pengukuran arus eksitasi dilakukan pada generator sinkron yang bekerja paralel dalam penentuan nilai faktor daya pada masing-masing generator tersebut. Adapun prosedur kerjanya adalah sebagai berikut:

Berikut adalah prosedur percobaan :

1. Motor induksi dikopel dengan motor DC yang berfungsi sebagai prime mover, kemudian rangkai rangkaian percobaan seperti pada gambar 3.3. 2. Pastikan seluruh saklar dalam keadaan terbuka, pengatur tegangan PTAC

dan PTDC dalam keadaan minimum, kapasitor dan beban (lampu pijar) telah terpasang dengan baik.

4. Atur tegangan PTAC sampai mencapai 380 volt, kemudian atur tegangan PTDC sehingga kecepatan putaran kedua mesin mendekati sama.

5. Tunggu beberapa saat untuk pengisian kapasitor.

6. Turunkan tegangan PTAC sampai nol kemudian buka saklar 1, sementara itu buka saklar 2 untuk menghindari pengosongan kapasitor dan atur PTDC sehingga putaran motor DC tetap berada pada kecepatan konstan. 7. Tutup saklar 2 dan naikkan kecepatan putaran motor DC sampai t