Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (MISG) Pada Setiap Perubahan Beban

(1)

Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap Perubahan Beban, 2008.

TUGAS AKHIR

PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR (MISG) PADA SETIAP PERUBAHAN BEBAN

O L E H

RUDIANTO SINAGA NIM : 03 0402 075

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

ABSTRAK

Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering dipakai

di dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai motor penggerak motor

induksi bisa juga dipakai sebagai generator, baik itu generator berkapasitas daya

besar maupun daya kecil. Secara umum konstruksi motor induksi sama dengan

generator induksi, hanya saja generator induksi memerlukan adanya prime over

sebagai generator pada umumnya membangkitkan tenaga listrik dan harus

memiliki slip negative artinya nr>ns. Jadi perputaran rotor diputar sedemikian

rupa sehingga mendahului perputaran medan magnetnya. Perputaran medan

magnet ini timbul karena adanya arus magnetisasi yang diberikan jala-jala kepada

kumparan stator. Oleh karena itu maka motor induksi dapat dioperasikan sebagai

generator induksi (MISG).

Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) banyak diterapkan di pada

Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro (PLTMh). Digunakannya generator

induksi dikarenakan harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia

di pasaran. Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan

keluaran yang sangat terpengaruh beban. Oleh karena itu perlu dilakukan

pengendalian tegangan agar tetap setimbang pada setiap penambahan beban

sesuai dengan tegangan yang diijinkan. Salah satu caranya adalah membuat

tahanan penyeimbang. Tahanan penyeimbang ini dapat berupa tahanan variable

yang dipasang secara paralel terhadap beban yang dapat distel setiap perubahan

(3)

KATA PENGANTAR

Pertama - tama, penulis ingin sekali berterima kasih kepada Tuhan Yesus,

yang oleh karena kasihNya , penulis masih dimampukan menyelesaikan tugas

akhir ini.

Adapun tugas akhir ini berjudul “Pengendalian Tegangan Motor Induksi

Tiga Phasa Pada Setiap Perubahan Beban ”, yang disusun dan diajukan sebagai

salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik elektro.

Sebagai manusia, penyusun menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih

jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penyusun berharap kekurangan –

kekurangan tersebut dapat dimaklumi.

Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak.

Maka dalam kesempatan ini, penyusun juga ingin berterima kasih kepada :

1. Kedua orang tua saya (T. Sinaga dan R. Pandiangan), Abang-abang dan

adik – adikku, yang selalu memperhatikanku dan yang terbanyak

memberiku motivasi, sehingga Tugas Akhir ini masih dapat diselesaikan.

2. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen selaku dosen pembimbing tugas akhir

yang telah banyak memberikan sumbangan ilmu dan waktunya.

3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rachmat Fauzi ST, MT selaku

Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

(4)

5. Bapak Ir. Mustafrin Lubis, selaku Kepala Laboratorium Mesin – Mesin

Listrik

6. Seluruh staff pengajar / dosen departemen Teknik Elektro FT. USU

7. Seluruh staff tata usaha departemen Teknik Elektro FT. USU

8. Saudara Eko (asisten laboratorium mesin – mesin listrik) yang telah

banyak meluangkan waktunya saat penyusun melakukan riset

9. Teman – teman nongkrong bareng : Eno , Juni, Olo P ,Irwan, Buhari,

Hotdes, Bobie, Henrie, Bennie, EllriZone, Heatbean,Wiswa, Mualim,

Jamil, Emil, Ardie, Ronald Boya, Jimmi dan teman – teman ’03 yang

nama – namanya tak dapat disebutkan satu persatu yang solid selama ini.

10.Teman – teman ’04, ’05, ’06, yang namanya tak dapat disebutkan satu

persatu yang telah banyak memberi dorongan semangat pada penulis

selama pengerjaan tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa penyusunan karya ilmiah ini masih belum sempurna.

Oleh karena penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang

bisa membangun tugas akhir ini menjadi lebih baik lagi. Akhirnya penulis

berharap bahwa karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Medan, 14 Juni 2008

(5)

KATA PENGANTAR DAFTAR ISI

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penulisan……… 2

1.3 Manfaat Penulisan... 2

1.4 Batasan Masalah... 2

1.5 Metode Penulisan... 4

1.6 Sistematika Penulisan... 5

II. MOTOR INDUKSI TIGA PHASA 2.1 Umum……… 7

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa...7

2.3 Medan Putar……….9

2.4 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa...13

2.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa………...18

2.6 Torsi Motor Induksi Tiga Phasa……… 20

(6)

2.8 Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa………....29

2.9 Disain motor induksi………30

2.10 Penentuan parameter motor induksi………... .32

III. MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR

3.1 Umum………. 38

3.2 Syarat-syarat Motor Induksi Tiga Phasa sebagi Generator…… 43

3.3 Prinsip kerja Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator…….. 44

3.4 Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator………. 47

IV. PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR

4.1 Umum……….49

4.2 Peralatan Yang Digunakan...49

4.3 Penentuan besar kapasitor………51

4.4Percobaan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Pada

Setiap Perubahan Beban Dengan Pengendali dan tanpa Pengendali

Tegangan………54

4.5 Analisa pengendalian tegangan Motor Induksi

Tiga Phasa Sebagai Generator………..57

V. KESIMPULAN DAN SARAN

(7)

5. 2 Saran... 64

(8)

DAFTAR GAMBAR

2.1 Konstruksi stator motor

induksi………..……….………..…..8

2.2 Konstruksi rotor motor

sangkar……….………....8

2.3 Konstruksi rotor motor

belitan………..………..9

2.4 Diagram phasor fluksi tiga phasa

setimbang…….………..10

2.5 Grafik arus tiga phasa

setimbang……….……….………..10

2.6 Medan putar pada motor induksi tiga

phasa……….……….………10

2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model

transformator…....14

2.8 Model rangkaian rotor motor

induksi………...……….….16

2.9 Rangkaian ekivalen perphasa motor

induksi……….…...……..16

2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan

rugi-rugi

rotor………

..…………17

2.12 Diagram aliran daya pada motor

induksi……….………..20

2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian

input……….……..21

2.14 Impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian

input………..…..22

2.15 Rangkaian ekivalen Thevenin motor

induksi……….…….23

2.16 Karakteristik torsi-slip pada motor

induksi………...24

(9)

2.18 Karakteristik torsi-kecepatan motor induksi pada berbagai

desain…30

2.19 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban

nol…………34

2.20 Rangkaian pengukuran untuk test

dc………...35

2.21 Rangkaian ekivalen motor induksi pada

percobaan block rotor

test

……...35

3.1 Prinsip kerja motor induksi sebagai

generator………..44

3.2 Karakteristik torsi-kecepatan motor-generator

induksi………..45

3.3 Untaian dasar pengendali

tegangan………47

4.1 Rangkaian percobaan motor induksi sebagai

generator………..53

4.2 Rangkaian percobaan dengan menggunakan

pengendali………55

4.3 Grafik karakteristik Pbeban tehadap tegangan dengan

menggunakan

Pengendali………

……….59

4.4 Grafik karakteristik Pbeban dengan tegangan tanpa

pengendali…….63

(10)

1.

Distribusi reaktansi x1 dan x2 pada berbagai desain motor

induksi………

……….…37

2.

Data percobaan motor induksi sebagai

generator………

………..55

3.

Data percobaan motor induksi sebagai generator dengan

menggunakan

pengendal……….……….…5

7

4.

Data percobaan motor induksi sebagai generator tanpa

menggunakan

pengendali……….5

8

5.

Data effisiensi terhadap perubahan daya pada motor induksi

sebagai generator tanpa

(11)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Semakin terbatasnya bahan bakar pembangkit listrik konvensional

membuat krisis listrik makin larut berkepanjangan pada masa kini, maka salah

satu cara untuk mengantisipasi hal ini adalah mencari sumber listrik alternatif

untuk menggantikannya yaitu dengan cara menggunakan pembangkit yang dapat

diperbaharui. Salah satunya adalah dengan menggunakan pembangkit listrik

tenaga mikrohidro. Generator yang dipakai adalah Motor Induksi Sebagai

Generator (MISG). Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai

generator satu phasa maupun tiga phasa.

Motor induksi merupakan motor yang banyak digunakan baik di industri

rumah tangga maupun industri skala besar. Hal ini dikarenakan konstruksi motor

induksi yang kuat, sederhana serta tidak membutuhkan perawatan yang sangat

banyak.

Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan

cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan putaran sinkronnya dan atau

mesin bekerja pada slip negatip (s<0). Agar dapat berfungsi sebagai generator

maka motor ini memerlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi.

ns = p

f

120

(12)

Dimana ns: Kecepatan medan putar,rpm

f : Frekuensi sumber daya,Hz

p : Jumlah kutub motor induksi

Kecepatan putar rotor tidak sama dengan kecepatan medan putar, putaran rotor

harus lebih cepat daripada kecepatan medan putarnya sehingga menghasilkan

slip negative.

s = ,dengan nr>ns

Dimana s: slip

ns: Kecepatan medan putar, rpm

nr: Kecepatan putar rotor, rpm

Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan keluaran

yang sangat terpengaruh beban, oleh karena itu maka diperlukan suatu

pengaturan tegangan sehingga perubahan tegangan tidak sampai mengganggu

kontinuitas penyaluran daya oleh Motor Induksi Sebagai Generator (MISG)

tersebut.

1.2 TUJUAN PENULIS

Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah:

(13)

1. Mengetahui pengaruh penambahan beban terhadap tegangan pada Motor

Induksi Sebagai Generator dengan pengendali dan tanpa pengendali.

2. Membuat kendali tegangan menggunakan kontaktor dan beban

penyeimbang, sehingga tegangan yang dihasilkan berkisar 198-231 Volt

pada setiap penambahan beban.

1.3 MANFAAT PENULISAN

1. Memberikan informasi kepada penulis dan pembaca mengenai pengaruh

penambahan beban terhadap tegangan tanpa pengendali dan dengan

pengendali.

2. Mengetahui besar nilai kapasitor yang akan disuplai pada Motor Induksi

Sebagai Generator untuk membangkitkan arus eksitasi yang diperlukan.

3. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium konversi energi listrik.

1.4 BATASAN MASALAH

Untuk menghindari pembahasan yang meluas maka penulis akan

membatasi pembahasan tugas akhir ini dengan hal-hal sebagai berikut:

1. Tidak membahas masalah yang timbul saat terjadi hubung singkat.

2. Tidak membahas tentang system proteksi.

3. Membahas pembuatan kendali tegangan dengan teknologi sederhana yaitu

(14)

membahas tentang sensor tegangan dengan teknologi tidak sederhana

seperti Induction Generator Controller (IGC).

4. Tidak membahas hubungan interkoneksi dengan jaringan/ system

5. Tidak membahas perubahan tegangan akibat gangguan pada system

6. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia data di laboratorium

konversi energi listrik.

7. Membahas sekitar karakteristik pembebanan bersifat resistif dan tidak

sampai pembebanan induktif dan kapasitif.

1.5 METODE PENULISAN

Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:

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

pendukung.

2. Studi diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai

masalah-masalah yang timbul selama penulisan tugas akhir.

3. Studi laboratorium, melakukan percobaan untuk mendapatkan data-data

yang diperlukan.

(15)

Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis

menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini memuat latar belakang masalah, tujuan penulisan,

manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan

sistematika penulisan.

BAB II : MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini membahas konstruksi motor induksi tiga phasa, medan

putar, prinsip kerja motor induksi tiga phasa, rangkaian ekivalen

motor induksi tiga phasa, aliran daya pada motor induksi tiga

phasa, torsi motor induk si tiga phasa, dan effisiensi motor

induksi tiga phasa

BAB III : MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR (MISG)

Bab ini membahas mengenai motor induksi sebagai generator,

syarat-syarat yang harus dipenuhi sebagai Motor Induksi

Sebagai Generator (MISG).

(16)

Bab ini berisi percobaan-percobaan yang akan dilakukan untuk

melihat pengaruh perubahan beban serta analisa terhadap

perubahan tegangan pada motor induksi sebagai generator

induksi baik itu dengan pengendali maupun tanpa pengendali

BAB V : PENUTUP

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian

ataupun analisis data - data yang telah diperoleh.

BAB II

(17)

Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling luas

digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah

tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan

diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai

akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar

(rotating magnetic field) yang dihasilkan arus stator.

Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta

berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi

saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Akan

tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi masih memiliki

kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor induksi

pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor DC

hal yang sama tidak dijumpai.

2.2 KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang sama

dengan motor sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi rotor. Stator

dibentuk dari laminasi – laminasi tipis yang terbuat dari aluminium ataupun besi

tuang, dan kemudian dipasak bersama – sama untuk membentuk inti stator

dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil ) dari

konduktor – konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan ke dalam slot –

slot tersebut. Sehingga grup dari kumparan ini beserta dengan inti yang

(18)

kutub dari motor induksi tergantung pada hubungan internal dari belitan stator,

yang mana bila belitan ini disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa maka

akan membangkitkan medan putar.

a) penampang inti stator b) Stator motor induksi Gambar 2.1

Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu

rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). Rotor sangkar

terdiri dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot – slot

yang terdapat pada permukaan rotor dan tiap – tiap ujungnya dihubung singkat

dengan menggunakan shorting rings.

Gambar 2.2

a) Rotor Sangkar b) Motor induksi rotor sangkar

Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan

tiga phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga

(19)

rotor tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor

induksi rotor belitan, rangkaian rotornya dirancang untuk dapat disisipkan dengan

tahanan eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam

memodifikasi karakteristik torsi – kecepatan dari motor.

Gambar 2.3

a) Rotor belitan b) motor induksi rotor belitan

2.3 MEDAN PUTAR

Ketika belitan tiga phasa dari motor induksi diberi suplai maka medan

magnet yang berputar akan dihasilkan. Medan magnet ini dibentuk oleh kutub –

kutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah –

ubah mengelilingi stator. Adapun magnitud dari medan putar ini selalu tetap

yaitu sebesar 1.5 m dimana m adalah fluks yang diebabkan suatu phasa.

Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat

diambil contoh pada motor induksi tiga phasa dengan jumlah kutub dua. Dimana

ke-tiga phasanya R,S,T disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa, dan arus

pada phasa ini ditunjukkan sebagai IR, IS, dan IT, maka fluks yang dihasilkan oleh

(20)

R = m sin t ...( 2.1a )

S = m sin ( t – 120o)...( 2.1b )

T = m sin ( t – 240o)...( 2.1c )

φ

1

φ φ2 φ3

t

ω

Gambar 2.5 Gambar 2.4

Fluksi tiga phasa setimbang diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang

i ii

iii iv

Gambar 2.6

Medan putar pada motor induksi tiga phasa

( i ) Pada keadaan 1 ( gambar2.6 ), t = 0 ; arus dalam phasa R bernilai nol

sedangkan besarnya arus pada phasa S dan phasa T memiliki nilai yang sama dan

arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari

(21)

resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 m

dan dibuktikan sebagai berikut :

R = 0 ; S = m sin ( -120o ) = 2

3

− m ;

T = m sin ( -240o ) = 2

3 m

Oleh karena itu resultan fluks, r adalah jumlah phasor dari T dan – S

Sehinngga resultan fluks, r = 2 x 2

3

m cos 30o = 1,5 m

( ii ) Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada phasa S,

sedangkan pada R dan phasa T bernilai 0,5 maksimum pada phasa R dan phasa T,

dan pada saat ini t = 30o

, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing –

masing phasa :

R = m sin ( -120o) = 0,5 m

S= m sin ( -90o ) = - m

T= m sin (-210o) = 0,5 m

Maka jumlah phasor R dan - Tadalah = r’ = 2 x 0,5 mcos 60 = 0,5 m.

(22)

Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks

berpindah sejauh 30o dari posisi pertama.

( iii ) Pada keadaan ini t = 60o, arus pada phasa R dan phasa T memiliki

besar yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 m ), oleh karena itu fluks

yang diberikan oleh masing – masing phasa :

R = m sin ( 60o ) = 2

3

m

S= m sin ( -60o ) = 2

3

− m

T = m sin ( -180o ) = 0

Maka magnitud dari fluks resultan : r = 2 x 2

3

m cos 30o = 1,5 m

berpindah sejauh 60o dari posisi pertama.

( iv ) Pada keadaan ini t = 90o, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan

arus pada phasa S dan phasa T = 0,5 m , oleh karena itu fluks yang diberikan

oleh masing – masing phasa

R = m sin ( 90o) = m

S= m sin ( -30o ) = - 0,5 m

T= m sin (-150o) = - 0,5 m

Maka jumlah phasor - T dan – Sadalah = r’ = 2 x 0,5 mcos 60 = 0,5 m.

Sehingga resultan fluks r= 0,5 m+ m = 1,5 m.

(23)

2.4 RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Operasi dari motor induksi tergantung pada induksi arus dan tegangan

di dalam rangkaian rotor yang berasal dari rangkaian stator karena adanya aksi

transformator. Karena induksi arus dan tegangan pada motor induksi pada

dasarnya sama dengan operasi transformator, maka rangkaian ekivalen motor

induksi akan sangat menyerupai rangkaian ekivalen dari transformator. Motor

induksi disebut juga sebagai singly excited machine, sebab daya hanya disuplai

dari rangkaian stator. Karena motor induksi tidak memiliki rangkaian medan,

maka pada modelnya tidak akan terdapat sumber tegangan internal EA

sebagaimana dijumpai pada mesin sinkron.

Rangkaian ekivalen per phasa dari transformator dapat menggantikan

operasi dari motor induksi. Sebagaimana halnya pada transformator, maka akan

terdapat tahanan (R1) dan induktansi sendiri (X1) pada belitan stator yang

direpresentasikan dalam rangkaian ekivalen mesin.

(24)

Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator

Tegangan stator E1 dikopel terhadap sisi sekunder ER sebagaimana

halnya transformator ideal dengan rasio belitan effektif aeff. Rasio belitan ini

dengan mudah dapat ditentukan pada motor induksi rotor belitan, yang mana

pada dasarnya rasio ini merupakan banyaknya konduktor per phasa pada stator

terhadap jumlah konduktor per phasa pada rotor. Akan tetapi tidak demikian

halnya pada motor induksi sangkar tupai, karena tidak terdapatnya belitan pada

rotor motor tersebut.

Tegangan ER pada rotor akan menghasilkan arus, karena rangkaian

rotornya terhubung singkat.

Impedansi rangkaian primer dan arus magnitisasi dari motor induksi

sama halnya dengan komponen - komponen yang dijumpai pada transformator.

Hal yang membedakan rangkaian ekivalen tersebut pada motor induksi

dikarenakan terdapatnya variasi frekuensi pada tegangan rotor (ER), impedansi

rotor RR dan jXR.

Ketika tegangan diberikan pada belitan stator, maka tegangan akan

diinduksikan pada belitan rotornya. Pada umumnya, gerak relatif yang lebih besar

di antara rotor dan medan putar stator, akan menghasilkan tegangan dan frekuensi

rotor yang lebih besar juga. Gerak relatif yang terbesar terjadi saat rotor dalam

(25)

frekuensi dan tegangan terendah timbul saat rotor berputar pada kecepatan yang

sama dengan kecepatan sinkron, sehingga tidak terdapat pergerakan relatif.

Magnitud dan frekuensi tegangan induksi rotor pada saat berputar sebanding

dengan slip dari rotornya. Sehingga, besarnya tegangan induksi rotor dalam

kondisi rotor terkunci disebut ERO, sedangkan untuk slip pada suatu putaran

tertentu dirumuskan dengan:

ER = sERO...(2.8)

Dan frekuensi tegangan induksi pada slip tertentu :

fr = sfe...(2.9)

Tahanan dari rotor RR bernilai konstan/ tidak tergantung pada slip,

sementara itu pada reaktansi rotor besarnya akan dipengaruhi oleh slip.

Reaktansi dari rotor tergangtung pada induktansi rotor, frekuensi tegangan

rotor dan arus pada rotor. Bila induktansi rotor LR, maka reaktansi rotor adalah :

XR= r LR = 2 fr LR : fr = sfe

Sehingga

XR = 2 sfe LR

= s(2 sfe LR)

= sXRO...(2.10)

LR = induktansi rotor

XRO = reaktansi blok rotor.

(26)

R R R R jX R E I + = RO R R R jsX R E I + = RO R RO R jX s R E I + = /

Gambar 2.8 model rangkaian rotor motor induksi

Dari gambar 2.8 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai :

...(2.11)

...(2.12)

...(2.13)

IR = arus rotor ( A )

ER = tegangan induksi pada rotor ( V )

RR = tahanan rotor ( )

XR= reaktansi rotor ( )

Untuk mempermudah penganalisaan, maka rangkaian ekivalen motor induksi

pada gambar 2.8 dapat dilihat dari sisi stator, seperti gambar 2.9 :

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen per phasa motor induksi

Seperti halnya pada transformator, tegangan, arus, dan impedansi sisi

sekunder dapat digantikan ke sisi primer sesuai dengan rasio belitannya, sehingga

(27)

Vp = Vs = a Vs ...(2.14)

Ip = I’s = Is/a...(2.15)

Z’s = a2Zs...(2.16)

Secara eksak urutan transformasi yang sama dapat dilakukan untuk rangkaian

rotor motor induksi. Jika rasio belitan effektif dari motor induksi adalah aeff,

kemudian tegangan rotor ditransformasikan menjadi:

E1 = E’R = aeff ERO...(2.18)

Arus rotor menjadi: I2 = IR/ aeff...(2.19)

Dan impedansi rotor menjadi

Z2 = a2eff (RR/s + jXRO)...(2.20)

Atau dapat juga didefenisikan dengan :

R2 = a2eff RR... (2.21)

X2 = a2eff XRO... (2.22)

Apabila rugi – rugi tembaga dipisahkan dengan besarnya daya yang

dikonversikan menjadi daya mekanik, maka rangkaian ekivalennya adalah seperti

pada gambar 2.10

Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan rugi – rugi rotor

Dalam teori transformator, analisa rangkaian ekivalen sering

disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang magnetisasi atau dengan

(28)

dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena

adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus magnetisasi yang sangat

besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh). Untuk itu dalam rangkaian

ekivalen RC dapat diabaikan.

2.5 ALIRAN DAYA PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya

mekanik pada poros motor. Berbagai rugi – rugi yang timbul selama proses

konversi energi listrik antara lain :

1. rugi – rugi tetap ( fixed losses ), terdiri dari :

 rugi – rugi inti stator (PCORE)

PCORE = 3 E12GC...(2.23)

 rugi – rugi gesek dan angin

2. rugi – rugi variabel, terdiri dari :

 rugi – rugi tembaga stator (PSCL)

PSCL = 3 I12 R1...(2.24)

 rugi – rugi tembaga rotor ( PRCL)

PRCL = 3 I22 R2...(2.25)

Daya pada celah udara (PAG)dapat dirumuskan dengan :

PAG = Pin – PSCL - PCORE...(2.26)

Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian ekivalen

yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R2/s. Oleh karena itu

(29)

      − =

s s 1 R I 3 P_conv ₂2 ₂

s R I 3 P 2 2

2

AG = ...(2.27)

Apabila rugi – rugi tembaga dan rugi – rugi inti dikurangi dengan daya input

motor, maka akan diperoleh besarnya daya listrik yang diubah menjadi daya

mekanik.

Besarnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah:

...(2.28)

Dari persamaan 2.25 dan 2.27 dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga

dengan daya pada celah udara :

PRCL = s PAG ...(2.29)

Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya

pada celah udara dikurangi dengan rugi – rugi tembaga rotor, maka daya mekanik

dapat juga ditulis dengan :

Pconv = (1 – s ) PAG...(2.30)

Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya

mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin. Gambar 2.12

(30)

Gambar 2.12

Diagaram aliran daya pada motor induksi

2.6 TORSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Dari rangkaian ekivalen dan diagram aliran daya motor induksi tiga phasa

yang telah diperoleh sebelumnya dapat diturunkan suatu rumusan unum untuk

torsi induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor induksi diberikan oleh

persamaan:

ind =

m conv P

ω ...(2.31)

ind =

sync AG P

ω ...(2.32)

Persamaan yang terakhir di atas sangat berguna, karena kecepatan sinkron

selalu bernilai konstan untuk tiap – tiap frekuensi dan jumlah kutub yang

diberikan motor. Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah

(31)

Meskipun terdapat berbagai cara menyelesaikan rangkaian seperti gambar

2.11, untuk menentukan besarnya arus I2, kemungkinan penyelesaian yang paling

mudah dapat dilakukan dengan menentukan rangkaian ekivalen Thevenin dari

gambar tersebut.

Agar dapat menghitung ekivalen Thevenin dari sisi input rangkaian

ekivalen motor induksi, pertama – tama terminal X’s dihubung buka (open -

circuit ), kemudian tegangan open circuit di terminal tersebut ditentukan. Untuk

menentukan impedansi Thevenin, maka tegangan phasa dihubung singkat ( short

[image:31.595.155.444.354.544.2]

– circuit ) dan Zeq ditentukan dengan melihat ke dalam sisi terminal.

Gambar 2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input

Dari gambar 2.13 ditunjukkan bahwa terminal di open – circuit untuk

mendapatkan tegangan ekivalen Thevenin. Oleh karena itu dengan aturan

pembagi tegangan diperoleh :

VTH = V

1 M

M

Z Z

Z

(32)

(

)

2 1 2 1 M M X X R X + + M M X X X + 1 = V M 1 1 M jX jX R jX + +

Magnitud dari tegangan Thevenin VTH adalah :

VTH = V ...(2.33)

Karena reaktansi magnetisasi XM >> X1 dan XM >> R1, harga pendekatan dari

magnitud tegangan ekivalen Thevenin :

[image:32.595.156.439.392.550.2]

VTH≈ V . ...(2.34)

Gambar 2.14 menunjukkan tegangan input dihubung singkat. Impedansi

ekivalen Thevenin dibentuk oleh impedansi paralel yang terdapat pada rangkaian.

Gambar 2.14 impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input

Impedansi Thevenin ZTH diberikan oleh :

ZTH =

M 1 M 1 Z Z Z Z +

ZTH = RTH + jXTH =

(

)

(

1 M

)

1 1 1 M X X j R jX R jX +

(33)

Karena XM >> X1 dan XM + X1 >> R1, tahanan dan reaktansi Thevenin secara

pendekatan diberikan oleh :

RTH≈ R1

XTH≈X1

[image:33.595.116.473.287.665.2]

Gambar di bawah menunjukkan rangkaian ekivalen Thevenin :

Gambar 2.15 rangkaian ekivalen Thevenin motor induksi

Dari gambar di atas arus I2 diberikan oleh :

I2 =

2 TH TH Z Z V

+ ; I2 =

2 TH 2 TH TH jX jX s / R R V + + +

Magnitud dari arus

I2 =

(

) (

)

2

1 TH 2 2 TH TH X X s / R R V + + + ...(2.36)

Daya pada celah udara diberikan oleh :

PAG = 3 I22

s R₂

; PAG =

(

) (

)

[

2

]

2 TH 2 2 TH 2 TH 2 X X R R s / R V 3 + + + ...(2.37)

(34)

sync AG P

ω ; ind =

(

) (

)

[

2

]

2 TH 2

2 TH sync

2 TH 2

X X R

R

s / R V 3

+ +

+

[image:34.595.158.456.288.530.2]

ω ...(2.38)

Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan

pada gambar 2.16

Gambar 2.16

Karakteristik torsi – slip pada motor induksi

Sedangkan kurva torsi - kecepatan motor induksi yang menunjukkan

(35)

Gambar 2.17

Karakteristik torsi – putaran pada motor induksi pada berbagai daerah operasi

Dari kedua kurva karakteristik torsi motor induksi di atas dapat diambil beberapa

kesimpulan sebagai berikut :

1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron

2. kurva torsi – kecepatan mendekati linear di antara beban nol dan beban

penuh. Dalam daerah ini, tahanan rotor jauh lebih besar dari reaktansi

rotor, oleh karena itu arus rotor, medan magnet rotor, dan torsi induksi

meningkat secara linear dengan peningkatan slip.

3. Akan terdapat torsi maksimum yang tak mungkin akan dapat dilampaui.

Torsi ini disebut juga dengan pull – out torque atau break down torque,

yang besarnya 2 – 3 kali torsi beban penuh dari motor.

4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar daripada torsi beban penuhnya,

oleh karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang

(36)

5. torsi pada motor akan memberikan harga slip yang bervariasi sebagai

harga kuadrat dari tegangan yang diberikan. Hal ini sangat penting dalam

membentuk pengaturan kecepatan dari motor.

6. jika rotor motor induksi digerakkan lebih cepat dari kecepatan sinkron,

kemudian arah dari torsi induksi di dalam mesin menjadi terbalik dan

mesin akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya

mekanik menjadi daya elektrik.

7. jika motor induksi bergerak mundur relatif arah dari medan magnet, torsi

induksi mesin akan menghentikan mesin dengan sangat cepat dan akan

mencoba untuk berputar pada arah yang lain. Karena pembalikan arah

medan putar merupakan suatu aksi penyaklaran dua buah phasa stator,

maka cara seperti ini dapat digunakan sebagai suatu cara yang sangat

cepat untuk menghentikan motor induksi. Cara menghentikan motor

seperti ini disebut juga dengan plugging.

2.8 TORSI MAKSIMUM MOTOR INDUKSI

Karena torsi induksi bernilai ind = PAG/ sync, maka torsi maksimum

yang mungkin terbentuk jika daya pada celah udara maksimum. Karena daya

pada celah udara sama dengan daya yang dikonsumsi oleh resistor R2/s, torsi

(37)

(

)

2 2 2

2 _R _X _X

s R

TH

TH + +

=

(

)

_   ₊ ₊ ₊ = 2 2 2 2 max 2 3 X X R R V TH TH TH sync TH ω τ

(

)

2 2 2 2 X X R R TH

TH + +

Transfer daya terhadap resistor R2/s akan maksimum jika magnitud dari

impedansi sama dengan magnitud dari impedansi sumber. Dari rangkaian

ekivalen Thevenin impedansi sumber dari rangkaian :

Zsource = RTH + jXTH + jX2...(2.39)

Oleh karena itu transfer daya maksimum adalah :

...(2.40)

atau slip pada saat torsi maksimum ;

smaks = ...(2.41)

Oleh karena itu slip dari rotor saat torsi maksimum secara langsung sebanding

dengan tahanan rotor. Sedangkan torsi maksimum dapat ditentukan sebagai

berikut :

………...(2.42)

Atau dengan secara rumus torsi maksimum dapat diturunkan sebagai berikut,

T = r Pm

Dengan : ωr = kecepatan sudut (mekanik) dari rotor.

Nr = Ns (1-s), sehingga diperoleh pula:

(38)

Bila dilihat torsi mekanik yang ditransfer pada rotornya (dengan memperrhatikan

gambar 2.9) akan diperoleh sebagai berikut.

Tg =

[

]

k

s s sX r r sE s 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ) ( 1 α α

ω + = + ...(2.44)

Dimana: k = 2 2 2 2 x E ω α = 2 2 x r

Ttorsi start yang dibutuhkan pada motor induksi dapat dihitung dengan

memasukkan nilai s = 1 pada persamaan (2.44). Selanjutnya dengan

memperhatikan persamaan 2.30, torsi mekanik yang bermanfaat untuk memutar

rotor menjadi:

Tm = k

s s s s Pg Pm s 2 2 ) 1 ( ) 1 ( 1 α α

ω = − = +− ………...(2.45)

Torsi maksimum dicapai pada =0

ds dT

, maka dari persamaan (2.44), maka

diperoleh:

=

ds dT

α (s2 + α2) – s.α (2s) = 0

s2 + α2 – 2 s2 = 0

s2 = α2

[image:38.595.110.510.256.699.2]

(39)

Dari keadaan ini akan diperoleh torsi maksimum (Tmx) sebesar:

Tmx = k

k 2 / 1 2 2 2 = α α _{……….…….………...(2.47)}

Torsi maksimum (1/2k) tersebut dicapai pada slip positif (mesin bertindak

sebagai motor induksi) dan pada slip negatif (mesin bertindak sebagai generator

induksi).

2.8 EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Effisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan sebagai ukuran

keeffektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi

mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan / rasio daya output ( keluaran )

dengan daya input ( masukan ), atau dapat juga dirumuskan dengan :

...(2.48)

Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa effisiensi motor tergantung

pada besarnya rugi – rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk

menentukan effisiensi motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu

dapat dibebani secara penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan.

Effisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan

pengujian beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol

akan diperoleh rugi – rugi rotasi yang terdiri dari rugi – rugi mekanik dan rugi –

(40)

berbeban ringan ataupun tanpa beban. Persamaan yang dapat digunakan untuk

motor tiga phasa ini adalah :

1 2 1 1

l

rot 3VI cos 3I R

P = θ− ...(2.49)

Dari ke dua rumus di atas dapat dinyatakan bahwa rugi – rugi daya =

total daya input – rugi tembaga stator. Situasi ini tepat karena rotor tidak dibebani

sewaktu sedang beroperasi sehingga slipnya sangat kecil oleh karena itu arus, dan

rugi – rugi tembaga rotor diabaikan.

Dari pengujian hubung singkat akan dihasilkan parameter rotor. Daya

total yang dialirkan ke motor sewaktu tegangan dikurangi selama pengujian ini,

didissipasikan dalam rugi – rugi tembaga stator dan rugi – rugi tembaga rotor.

2.9 DISAIN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke

dalam empat kelas yakni disain A,B,C, dan D. Karakteristik torsi – kecepatannya

(41)

Gambar 2.18

Karakteristik torsi kecepatan motor induksi Pada berbagai disain

 Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai

ratingnya) danarus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan

yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu

menangani beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat.

Slip < = 5%

 Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran.

Motor ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A,

akan tetapi motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked

rotor cukup baik untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam

aplikasi industri. Slip motor ini < =5 %. Effisiensi dan faktor dayanya

pada saat berbeban penuh tinggi sehingga disain ini merupakan yang

paling populer. Aplikasinya dapat dijumpai pada pompa, kipas angin/ fan,

dan peralatan – peralatan mesin.

 Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (200 % dari nilai ratingnya) dari

dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban – beban

seperti konveyor, mesin penghancur (crusher ), komperessor,dll. Operasi

dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah

besar. Arus startnya rendah, slipnya < = 5 %

 Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan

(42)

sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan

perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya :

elevator, crane, dan ekstraktor.

2.10 PENENTUAN PARAMETER MOTOR INDUKSI

Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor

induksi dapat diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor

tertahan, dan pengukuran tahanan dc lilitan stator.

2.11.1 Pengujian Tanpa Beban ( No Load Test )

Pengujian tanpa beban pada motor induksi akan memberikan keterangan

berupa besarnya arus magnetisasi dan rugi – rugi tanpa beban. Biasanya

pengujian tersebut dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan

tiga phasa dalam keadaan setimbang yang diberikan pada terminal stator.

Pembacaan diambil pada tegangan yang diizinkan setelah motor bekerja cukup

lama, agar bagian – bagian yang bergerak mengalami pelumasan

sebagaimanamestinya. Rugi – rugi rotasional keseluruhan pada frekuensi dan

tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan dan

sama dengan rugi – rugi tanpa beban.

Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya

diperlukan untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi rugi-rugi yang

ada di stator. Karenanya rugi – rugi I2R tanpa beban cukup kecil dan dapat

diabaikan. Pada transformator rugi – rugi I2R primernya tanpa beban dapat

(43)

cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi – rugi

rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :

PROT = Pnl – 3 I2nl R1...(2.50)

Dimana Pnl = daya input tiga phasa

Inl = arus tanpa beban tiap phasa ( A )

R1 = tahanan stator tiap phasa ( ohm )

Karena slip pada keadaaan tanpa beban sangat kecil, maka akan

mengakibatkan tahanan rotor R2/s sangat besar. Sehingga cabang paralel rotor

dan cabang magnetisasi menjadi jXM di shunt dengan suatu tahanan yang sangat

besar, dan besarnya reaktansi cabang paralel karenanya sangat mendekati XM.

Sehingga besar reaktansi yang tampak Xnl yang diukur pada terminal stator pada

keadaan tanpa beban sangat mendekati X1 + XM, yang merupakan reaktansi

sendiri dari stator, sehingga

Xnl = X1 + XM...(2.51)

Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur

pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin tiga phasa yang terhubung Y besarnya

impedansi tanpa beban Znl/ phasa :

Znl =

nl nl

I 3 V

...(2.52)

Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.

Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnl adalah :

Rnl =

nl 2 nl I 3

P

(44)

nl

nl R

Z2 − 2

DC DC 1

I 2

V

R =

Pnl merupakan suplai daya tiga phasa pada keadaan tanpa beban, maka besar

reaktansi tanpa beban

Xnl = ...(2.54)

sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar 2.19

Gambar 2.19 rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol

2.11.2 Pengujian tahanan stator ( DC test )

Untuk menentukan besarnya tahanan stator R1 dilakukan dengan test

DC. Pada dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi.

Karena arus yang disuplai adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang

diinduksikan pada rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada

rotor. Dalam keadaan demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh

karena itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan stator.

Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai

rated, yang mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada

temperatur yang

sama selama operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka

besar tahanan stator/ phasa adalah :

...( 2.55 )

[image:44.595.204.413.234.326.2]

(45)

DC DC 1

I 2

V 3

R = ...( 2.56 )

Dengan diketahuinya nilai dari R1, rugi – rugi tembaga stator pada beban

nol dapat ditentukan, dan rugi – rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih

dari daya input pada beban nol dan rugi – rugi tembaga stator. Gambar 3.4

menunjukkan salah satu bentuk pengujian DC pada stator motor induksi yang

[image:45.595.158.441.283.461.2]

terhubung Y.

Gambar 2.20 rangkaian pengukuran untuk test DC

2.11.3. Pengujian Rotor Tertahan ( Block Rotor Test )

Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter – parameter motor

induksi, dan biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor

dikunci/ ditahan sehingga tidak berputar.

Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus

yang mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan

nilai beban penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor

diukur.

(46)

[image:46.595.106.512.392.700.2]

Gambar 2.21 rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor test

Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R2/s = R2.

Karena nilai R2 dan X2 begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir

melalui tahanan dan reaktansi tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat

ini terlihat seperti kombinasi seri X1, R1, X2, dan R2. Sesudah tegangan dan

frekuensi diatur, arus yang mengalir pada motor diatur dengan cepat, sehingga

tidak timbul kenaikan temperatur pada rotor dengan cepat. Daya input yang

diberikan kepada motor

θ = 3V I cos

Pin T L ...( 2.57 )

VT = tegangan line pada saat pengujian berlansung

IL = arus line pada saat pengujian berlangsung

L T BR

I 3 V

Z = ...( 2.58 )

ZBR = impedansi hubung singkat

ZBR = RBR + jX’BR

= ZBR cos + j ZBR sin ...( 2.59 )

Tahanan block rotor :

RBR = R1 + R2...( 2.60 )

(47)

X1’ + X2’ adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian

R2 = RBR – R1...( 2.61 )

Nilai dari R1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding langsung

dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( XBR ) pada saat frekuensi

operasi normal

2 1 BR

BR xX' X X

test . f

rated . f

X = = + ...( 2.62 )

[image:47.595.151.473.368.541.2]

Untuk memisahkan harga X1 dan X2, maka dapat digunakan tabel 1

Tabel 1. distibusi reaktansi X1 dan X2 pada berbagai disain motor induksi

Disain kelas motor X1 X2

A 0,5 XBR 0,5 XBR

B 0,4 XBR 0,6 XBR

C 0,3 XBR 0,7 XBR

D 0,5 XBR 0,5 XBR

(48)

BAB III

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR (MISG)

3.1 UMUM

Motor induksi tiga phasa merupakan motor yang banyak digunakan baik

di industri rumah tangga maupun industri skala besar. Hal ini dikarenakan

konstruksi motor induksi yang kuat, murah, sederhana serta tidak membutuhkan

perawatan yang sangat banyak.

Secara umum konstruksi motor induksi sama dengan generator induksi,

hanya saja generator induksi memerlukan adanya prime over sebagai penggerak.

Oleh karena itu motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator

dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar,

sehingga menghasilkan slip (s) negative. Untuk menjadikan motor induksi

sebagai generator maka mesin ini membutuhkan daya reaktif untuk

membangkitkan arus eksitasi. Dengan cara ini maka motor listrik tiga phasa dapat

dioperasikan sebagai generator satu phasa maupun tiga phasa.

Motor induksi sebagai generator banyak diterapkan pada Pembangkit

Listrik Tenaga Mikrohidro yang bekerja secara sendiri (stand alone operating).

Mesin ini dipilih sebagai alternatif pembangkit tenaga listrik karena tidak banyak

(49)

bakar pada saat diaplikasikan di lapangan, tapi cukup bergantung pada sumber

energi terbarukan seperti air, angin, dll untuk sebagai prime over.

3.1.1 SLIP

Slip adalah nilai suatu dari perbedaan antara frekuensi listrik (rotasi dari

medan magnet internal dengan frekuensi gerak (rotasi dari rotor) pada mesin

listrik. 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) = − ×100%

s r s

n n n

……….…….(3.1)

dimana: n_r = kecepatan rotor

ns= kecepatan sinkron

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 nr = ns, (s = 0), tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir

pada kumparan 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).

(50)

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

pengereman)

3.1.2 Frekuensi Rotor

Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor

sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar,

maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung

terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar

'

f yaitu,

r

s n

n − =

P f '

120

, diketahui bahwa n_s=

p f

120

Dengan membagikan dengan salah satu, maka didapatkan :

s n n n f f s r

s − =

=

'

Maka f = sf ( Hz )……….(3.2) '

Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor f = '

sf dan ketika arus ini mengalir pada masing – masing phasa di belitan rotor,

akan memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan

menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif

terhadap putaran rotor sebesarsn . _s

Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi

medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnitud

(51)

merupakan medan magnetik yang berputar secara sinkron. Kenyataannya tidak

seperti ini karena pada stator akan ada arus magnetisasi pada kumparannya.

3.1.3 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 effisiensi bernilai

nol. Apabila motor induksi berbeban ringan, maka rugi-rugi tetap akan lebih

besar jika dibandingkan terhadap outputnya, sehingga effisiensinya rendah. Jika

beban meningkat, maka effisiensinya juga akan meningkat dan akan menjadi

maksimum sewaktu rugi-rugi variabel sama dengan rugi-rugi inti. Effisiensi

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

ditingkatkan secara terus-menerus hingga melampaui effesiensi maksimumnya

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

sehingga effisiensi menurun.

3.1.4 KAPASITOR

Kapasitor adalah suatu peralatan listrik untuk menyimpan muatan listrik.

Konstruksi kapasitor pada umumnya terdiri dari dua buah konduktor yang

berdekatan namun dipisahkan oleh bahan elektrik.

Kapasitansi kapasitor (C) adalah suatu kemampuan kapasitor untuk menyimpan

(52)

∆Q = V.I………(3.3)

= V. c X V = Xc V2

……, Xc =

fC π

2 1

∆Q = V2_{.2 f C}

………(3.4)

C =

f V Q π 2 2 ∆ _{……….…(3.5)}

3.1.4.1Kapasitor Hubungan Delta (∆)

Apabila dihubungkan dengan hubungan delta (∆) maka besar kapasitansi

kapasitor adalah:

C∆ perphasa =

f v Q π 2 3 2 ∆ _{………(3.6)}

3.1.4.2Kapasitor Hubungan Wye (Y)

Apabila dihubungkan dengan hubungan bintang ( ) maka besar kapasitansi

kapasitor adalah:

CY perphasa =

(53)

3.2 SYARAT-SYARAT MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR

Motor induksi tiga phasa 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).

ns =

p f

120

………(3.8)

Dengan ns: Kecepatan medan putar,rpm

f : Frekuensi sumber daya,Hz

p : Jumlah kutub motor induksi.

Sehingga ;

s = .100% , nr>ns…….…..(3.9)

Dengan s: slip

ns: Kecepatan medan putar, rpm

nr: Kecepatan putar rotor, rpm

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

maka mesin ini memerlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi.

(54)

Fungsi pemasangan kapasitor pada Motor Induksi Sebagai Generator (MISG)

beroperasi sendiri ini adalah untuk menyediakan daya reaktif.

3.3 PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR

M ind

M dc

P T D C 1 pengaman -MCB -Sekering Sumber Tegangan Dari PLN Saklar 4

nr > ns

C

P T A C 1

Saklar 1 Saklar 3 Saklar 2 R R R B E B A N PTDC 2 A3 A2 A1 v1

[image:54.595.122.530.283.485.2]

K L R S T

Gambar 3.1. Prinsip kerja Motor induksi Sebagai Generator

Pada mesin induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan

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

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

kemudian akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan

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

(55)

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

saat dilakukan pelepasan sumber tegangan tiga phasa pada stator .

Mesin dc sebagai prime over yang dikopel dengan mesin induksi diputar

secara perlahan memutar rotor mesin induksi hingga mencapai putaran

sinkronnya (nr = ns). Saklar sumber tegangan tiga phasa untuk stator dilepas, dan

kapasitor yang sudah dicharge akan bekerja dan akan mempertahankan besar ns.

Motor dc diputar hingga melewati kecepatan putaran sinkronnya mesin induksi

(nr>ns), sehingga slip yang timbul antara putaran rotor dan putaran medan

magnet menghasilkan slip negatip (s<0) dan akan menghasilkan tegangan

[image:55.595.124.498.383.666.2]

sehingga motor induksi akan berubah fungsi menjadi generator induksi.

(56)

Dari kurva karakteristik 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 membesar pula daya listrik yang

dihasilkan. Pada gambar karakteristik diatas generator mulai menghasilkan

tegangan pada saat putaran rotor (nr) sedikit lebih cepat dari putaran sinkron (ns)

mesin induksi tersebut.

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.

Karena perubahan beban adalah kewenangan konsumen dan di luar kendali

produsen tenaga listrik, maka salah satu alternative untuk mengendalikan

tegangan adalah dengan mengatur beban (output) generator. Dalam hal ini adalah

dengan membuat beban penyeimbang.

Prinsip kerja beban penyeimbang adalah dengan cara menjaga agar generator

(57)

AC

KELOMPOK BEBAN 1 1/5 FULL LOAD

KELOMPOK BEBAN 2 1/5 FULL LOAD

KELOMPOK BEBAN 3 1/5 FULL LOAD MCB

KONTAKTOR K1 K2 K3

K1 K2 K3

R1 R2 _R3

[image:57.595.118.525.119.458.2]

BEBAN PENYEIMBANG MISG

Gambar 3.3. Penelitian Untaian Dasar Pengendali Tegangan

Beban generator induksi dibagi dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu:

1 Beban konsumen yang merupakan wewenang konsumen dan diluar

kendali pihak produsen tenaga listrik

2 beban peneimbang yang dapat distel sesuai dengan peubahan beban

konsumen sehingga beban total yang dirasakan oleh generator relative

(58)

3.4 KEUNTUNGAN MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR

Dalam kenyataan aplikasinya di lapangan, motor induksi tiga phasa

sebagai generator memiliki beberapa keuntungan dan juga beberapa

ketidakuntungan.

Dalam masa yang akan datang diperkirakan motor induksi sebagai generator ini

akan segera dihubungkan ke sistem jaringan listrik untuk menyuplai beban

konsumen. Disamping karena kebutuhan konsumen akan listrik yang semakin

lama semakin meningkat, ada beberapa alasan lain yang mengakibatkan hal ini

akan segera terwujud.

Beberapa Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator

1. Konstruksinya simpel dan kokoh

2. Harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia di pasaran.

3. Dapat digunakan dalam semua kategori daya.

4. Tidak membutuhkan penguatan dc

5. Tidak membutuhkan sinkronisasi ketika diparallel dengan system.

6. Tidak mengkonsumsi bahan bakar untuk pembangkitan listrik tetapi

memerlukan sumber energi terbarukan seperti angin dan air.

7. Modal investasi masih jarang dan sistem perencanaannya sangat

(59)

Beberapa ketidakuntungan Motor Induksi Sebagai Generator

1. Membutuhkan peralatan luar yaitu kapasitor untuk membangkitkan

arus eksitasi.

2. Effisiensi berkurang.

3. Kehilangan magnetisasi sisa dalam hubung singkat atau beban lebih

akan mengakibatkan kehilangan kapasitas start sendiri.

4. Karakteristik perubahan daya sangat sensitif terhadap tegangan,

sehingga bisa mengganggu kontinutas pelayanan daya listrik dari

(60)

Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pad