TUGAS AKHIR
ANALISA PERBANDINGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN KOMPENSASI KAPASITOR TERHADAP REGULASI DAN EFISIENSI GENERATOR INDUKSI
( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro
O l e h
ALBERT GINTING NIM. 060402102
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering
digunakan dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai penggerak,
motor induksi juga dapat dijadikan sebagai generator atau sering juga disebut
dengan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). Secara umum konstruksi motor
induksi adalah sama dengan konstruksi generator induksi, hanya saja dalam
pengoperasiannya generator induksi memerlukan prime over untuk menggerakkan
rotor motor induksi tersebut. Rotor tersebut dikopelkan ke prime over lalu diputar
sedemikian sehingga menghasilkan slip negatif (1>s ). Artinya kecepatan putaran
rotor harus di atas kecepatan medan putar stator (ns<nr). Tidak hanya itu saja,
motor induksi tersebut juga memerlukan kapasitor untuk menyediakan daya
reaktif. Kapasitor ini dipasangkan secara paralel ke statornya.
Besar nilai kapasitor daya reaktif yang dihasilkan tergantung besar nilai
kapasitor yang digunakan dan hubungan dari kapasitor tersebut. Daya reaktif
mempengaruhi regulasi dan efisiendi generator induksi tersebut.
Generator induksi juga bisa dilengkapi dengan kapasitor kompensasi yang
bertujuan untuk membantu kapasitor eksitasi dalam hal menambah daya reaktif
yang dibutuhkan. Oleh karena itu penulis akan menganalisis perbandingan
regulasi dan efisiensi generator induksi dengan hubungan kapasitor yang berbeda
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas rahmat dan karunia yang
dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun Tugas Akhir
ini dibuat untuk memenuhi syarat kesarjanaan di Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada ayah, ibu, abang serta adik -
adik tercinta yang merupakan bagian hidup penulis yang senantiasa mendukung
dan mendoakan penulis dari awal penulisan hingga selesainya tugas akhir ini
Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis
banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu,
dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir.Syamsul Amien, Msi, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir,
atas segala bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan
Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir.Sihar P Panjaitaitan, MT, selaku dosen Wali penulis, atas
bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, MSi selaku Ketua Departemen Teknik
Elektro FT-USU dan Bapak Ir. Rahmat Fauzy, MT, selaku Sekretaris
4. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh
Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.
5. Kepala laboratorium konversi energi listrik ( Ir. Syamsul Amien, Msi
),pegawai laboratorium konversi energi listrik ( abang Isroi Tanjung ST
),seluruh asisten laboratorium konversi energi listrik ( Muhammad Iqbal
dan kawan-kawan ).
6. Sahabat – sahabatku, Muhammad Azhary Siregar, Ronald P Sinaga.
7. Teman – teman mahasiswa teknik elektro angkatan 2006 yang tidak bisa
saya sebutkan namanya satu persatu.
8. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak
kesalahan dan kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini
bisa bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya.
Medan, 26 November 2011
Albert Ginting NIM:
060402102
DAFTAR ISI
ABSTRAK... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR... viii
DAFTAR TABEL ... xi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan dan mamfaat Penulisan ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA ... 6
2.1 Umum ... 6
2.2 Konstruksi Motor Induksi ... 6
2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa ... 9
2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai ... 9
2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ... 11
2.4 Medan Putar ... 12
2.5 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa... 15
2.6 Rangkaian Ekivalen ... 17
2.7 Aliran Daya Motor Induksi ... 23
2.8 Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa ... 25
2.9 Penentuan Parameter Motor Induksi ... 27
BAB III MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR ... 35
3.1. Umum ... 35
3.2 Syarat – syarat Motor Induksi Sebagai Generator ... 36
3.3 Slip ... 37
3.4 Frekuensi Rotor ... 37
3.5 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 38
3.6 Kapasitor Eksitasi ... 40
3.7 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi ... 41
3.7.2 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan
Bintang ( Y ) ... 42
3.8 Peroses Pembangkitan Tegangan dan Rangkaian Ekivalen ... 43
3.9 Aliran Daya Generator Induksi ... 46
3.10 Efisiensi ... 47
3.11 Generator Induksi Penguatan Sendiri Keadaan Berbeban ... 47
3.12 Persamaam Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri ... 49
BAB IV ANALISA PERBANDINGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN KOMPENSASI KAPASITOR TERHADAP RAGULASI DAN EFISIENSI GENERATOR INDUKSI ... 50
4.1 Umum ... 50
4.2 Peralatan Yang Digunakan... 50
4.3 Penentuan Besar Nilai Kapasitor ... 52
4.4 Pengujian Analisa Perbandingan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta dan Bintang Dengan Menggunakan Kompensasi Kapasitor Terhadap Regulasi dan Efisiensi Generator Induksi. ... 54
4.4.1 Pengujian Pengukuran Tahanan Stator ... 54
4.4.3 Analisa Data Pengaruh Pembebanan Terhadap Regulasi
Tegangan dan Efisiensi Pada Generator Induksi Penguatan
Sendiri Dengan Kompensasi Tegangan Menggunakan
Kapasitor ... 60
4.4.4 Tabel Hasil Analisa Data ... 69
4.4.5 Kurva Perbandingan Regulasi dan Efisiensi Generator Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta dan Bintang…70 BAB V PENUTUP ... 72
5.1 Kesimpulan ... 72
5.2 Saran ... 72
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 (a) Konstruksi Stator ... 7
Gambar 2.1 (b) Konstruksi Rotor ... 7
Gambar 2.1 (c) Konstruksi Motor Induksi ... 7
Gambar 2.2 Menggambarkan komponen stator motor induksi tiga phasa... 8
Gambar 2.2 (a) Lempengan inti... 8
Gambar 2.2 (b) Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya ... 8
Gambar 2.2 (c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator ... 9
Gambar 2.3 Pembagian motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya ... 10
Gambar 2.4 (b) Tipikal Rotor Sangkar ... 11
Gambar 2.4 (c) Bagian-bagian Rotor Sangkar ... 11
Gambar 2.5 Cincin slip ... 12
Gambar 2.6 Rotor Belitan ... 13
Gambar 2.7 Medan putar pada ... 14
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen stator motor induksi ... 18
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi. ... 21
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa ... 22
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi. ... 22
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi ... 23
Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi... 24
Gambar 2.14 Diagram aliran daya motor induksi ... 26
Gambar 2.15 Efisiensi pada motor induksi ... 27
Gambar 2.16 Rangkaian pengujian tahanan stator arus searah motor induksi ... 28
Gambar 2.17 Rangkaian rotor ditahan motor induksi ... 29
Gambar 2.18 Rangkaian pada Saat Beban Nol ... 32
Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen pada saat beban nol ... 32
Gambar 3.1 Prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri... 38
Gambar 3.2 Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi... 39
Gambar 3.3 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi Tanpa Beban ... 40
Gambar 3.4 Kapasitor terhubung delta ... 41
Gambar 3.6 Kapasitor terhubung bintang ... 42
Gambar 3.7 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan bintang... 43
Gambar 3.8 Rangkaian proses pembangkitan tegangan ... 43
Gambar 3.9 Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi ... 44
Gambar 3.10 Proses pembangkitan tegangan. ... 45
Gambar 3.11 Tegangan fungsi kapasitor eksitasi. ... 45
Gambar 3.12 Diagram aliran daya nyata.. ... 46
Gambar 3.13 Rangkaian generator induksi penguatan sendiri hubungan short – shunt. ... 48
Gambar 3.14 Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi hubungan short shunt. ... 48
Gambar 4.1 Rangkaian percobaan dengan suplai DC ... 54
Gambar 4.2 Rangkaian pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri dengan kompesasi tegangan menggunakan kapasitor .... 57
Gambar 4.3 Kurva perbandingan regulasi generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan delta dan bintang ... 70
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Distribusi Empiris dari Xbr ... 31
Tabel 4.1 Data hasil pengujian tahanan stator DC ... 55
Tabel 4.2 Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri
dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor hubungan
delta ... 59
Tabel 4.3 Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan
sendiri dengan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor
hubungan bintang ... 59
Tabel 4.4 Tabel hasil analisa data perbandingan regulasi dan efisiensi
generator induksi dengan kapasitor eksitasi hubungan dela
ABSTRAK
Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering
digunakan dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai penggerak,
motor induksi juga dapat dijadikan sebagai generator atau sering juga disebut
dengan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). Secara umum konstruksi motor
induksi adalah sama dengan konstruksi generator induksi, hanya saja dalam
pengoperasiannya generator induksi memerlukan prime over untuk menggerakkan
rotor motor induksi tersebut. Rotor tersebut dikopelkan ke prime over lalu diputar
sedemikian sehingga menghasilkan slip negatif (1>s ). Artinya kecepatan putaran
rotor harus di atas kecepatan medan putar stator (ns<nr). Tidak hanya itu saja,
motor induksi tersebut juga memerlukan kapasitor untuk menyediakan daya
reaktif. Kapasitor ini dipasangkan secara paralel ke statornya.
Besar nilai kapasitor daya reaktif yang dihasilkan tergantung besar nilai
kapasitor yang digunakan dan hubungan dari kapasitor tersebut. Daya reaktif
mempengaruhi regulasi dan efisiendi generator induksi tersebut.
Generator induksi juga bisa dilengkapi dengan kapasitor kompensasi yang
bertujuan untuk membantu kapasitor eksitasi dalam hal menambah daya reaktif
yang dibutuhkan. Oleh karena itu penulis akan menganalisis perbandingan
regulasi dan efisiensi generator induksi dengan hubungan kapasitor yang berbeda
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Namun,
sedikit sekali masalah generator induksi ditulis sebagai subjek. Alasannya adalah karena
generator induksi tidak mampu mengendalikan tegangan dan frekuensi pada kondisi berbeban
dan kecepatan perputaran yang berubah. Sehingga dari salah satu penyebabnya tersebut,
Generator sinkron selalu digunakan dalam unit – unit pembangkit tenaga listrik.
Namun, akhir – akhir ini karena cadangan sumber energi yang tidak terbarukan
seperti minyak, gas bumi, batubara dan lain – lain dirasakan semakin menipis,maka pengembangan generator induksi penguatan sendiri yang digerakkan oleh energi angin,
pembangkit mikrohidro, biogas dan lain – lain mulai menjadi semakin mendapat perhatian
yang nyata. Selain itu, keuntungan lain dari mesin ini adalah kontruksinya yang kokoh, biaya
pemeliharaan yang rendah dan tidak membutuhkan penguatan DC.
Eksitasi generator induksi penguatan sendiri diperoleh dari kapasitor yang
dihubungkan dengan terminal stator generator. Kapasitor yang dihubungkan ke generator
dapat dihubung delta dan bintang. Kapasitor ini berfungsi sebagai pembangkit daya reaktif
untuk menghasilkan fluksi magnetisasi di celah udara. Jadi tanpa adanya daya reaktif untuk
kebutuhan arus eksitasi, kerja mesin induksi sebagai generator tidak mungkin terlaksana.
.Untuk memenuhi kebutuhan daya reaktif dapat juga dengan menambahkan
kapasitor kompensasi untuk membantu kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan oleh oleh
generator. Oleh karena itu penulis akan menganalisis perbandingan regulasi dan efisiensi
generator induksi dengan hubungan kapasitor yang berbeda dengan menggunakan
1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Menambah wawasan mengenai generator induksi penguatan sendiri.
2. Mengetahui besar nilai kapasitor yang akan disuplai pada generator induksi untuk
membangkitkan arus eksitasi yang diperlukan.
3. Mengetahui perbedaan yang diberikan kapasitor hubungan why (Y) dan
hubungan delta ( ) terhadap regulasi dan effisiensi generator induksi.
4. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium konversi energi listrik
1.3 Batasan Masalah
Untuk menjaga agar pembahasan materi dalam Tugas Akhir ini lebih terarah, maka
penulis menetapkan beberapa batasan masalah sebagai berikut :
1. Motor induksi yang penulis ambil sebagai aplikasi adalah Motor Induksi Tiga
Phasa Rotor Sangkar Tupai pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT.USU.
2. Analisa dilakukan dalam kondisi steady state.
3. Data yang diambil adalah tegangan terminal generator, arus kapasitor, arus beban,
putaran, dan daya, sesuai dengan perubahan beban..
4. Semua parameter mesin diasumsikan tetap.
5. Rugi-rugi inti, rugi gesek+angin, dan rugi-rugi di rotor diabaikan, hanya rugi-rugi
tembaga stator yang diperhitungkan.
6. Kapasitor eksitasi yang digunakan adalah hubungan Why ( ) dan Delta ( ∆ ).
7. Generator induksi memakai kompensasi menggunakan kapasitor.
8. Kondisi beban yang menjadi objek penelitian adalah beban yang bersifat resistif
9. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi
Energi Listrik.
1.4 Metode Penulisan
Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa
metode studi diantaranya :
1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik
tugas akhir ini, dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di
perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain.
2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium Konversi
Energi Listrik FT USU.
3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini
dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak departemen Teknik
Elektro USU, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman
sesama mahasiswa
1.5 Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang
masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode
penulisan, dan sistematika penulisan.
Bab ini membahas mengenai motor induksi tiga phasa secara umum,
konstruksi motor induksi tiga phasa, prinsip kerja motor induksi tiga
phasa, medan putar, rangkaian ekivalen motor induksi, aliran daya pada
motor induksi, torsi motor induksi tiga phasa, efisiensi motor induksi tiga
phasa, disain motor induksi, dan penentuan parameter motor induksi.
BAB III. MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR ( MISG ) PENGUATAN SENDIRI
Bab ini membahas mengenai motor induksi sebagai generator secara
umum, syarat – syarat motor induksi sebagai generator, prinsip kerja
generator induksi penguatan sendiri, proses pembangkitan tegangan dan
rangkaian ekivalen, aliran daya nyata generator induksi penguatan sendiri,
pengaruh pembebanan terhadap arus eksitasi, pembebanan dengan faktor
kerja satu, generator induksi penguatan sendiri hubungan short shunt,
persamaan tegangan, arus dan daya pada generator induksi penguatan
sendiri hubungan short shunt. keuntungan dan kelemahan motor induksi
sebagai generator.
BAB IV. PENGUJIAN PEMBEBANAN TERHADAP REGULASI DAN EFISIENSI GENERATOR INDUKSI DENGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN MENGGUNAKAN KOMPENSASI KAPASITOR
Bab ini membahas tentang pengujian pengaruh pembebanan terhadap
regulasi tegangan dan efisiensi. Pengambilan data dilakukan dengan
parameter generator induksi penguatan sendiri untuk mendapatkan nilai
regulasi tegangan dan efisiensi generator induksi tersebut.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan bagian penutup berupa kesimpulan dan saran yang
berkaitan dengan pembahasan mengenai analisa perbandingan pengaruh
besar nilai kapasitor eksitasi terhadap regulasi dan efisiensi generator
BAB II
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
2.1 Umum
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 adalah motor ac yang paling banyak dipergunakan, karena
konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara umum motor induksi
terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian
yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil.
(a)
(b)
(C)
Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam
dan mengalirkan arus phasa. Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur
yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur pada tumpukan
laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). tiap elemen laminasi inti dibentuk dari
lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan
beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang
disebut belitan phasa dimana untuk motor tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik
sebesar 120o. Kawat kumparan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan
isolasi tipis. Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris
(Gambar 2.2.(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah
disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga
phasa.
Gambar 2.2 Menggambarkan Komponen Stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan Inti
(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya
(c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator
Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor induksi
tiga fasa berdasarka jenis rotornya.
2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa
Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu:
1. motor induksi tiga fasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor)
2. motor induksi tiga fasa rotor belitan ( wound-rotor motor )
Gambar 2.3 Pembagian motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya
kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama
tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.
Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada
motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung
dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan –
lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat listrik. Lilitan
fasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta ( Δ ) ataupun bintang ( Υ ). Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.4 di bawah ini.
Gambar 2.4 Rotor sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah coran
tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang lebih besar,
batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas
dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan (a)
paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi
yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang
berputar. Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin.
2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ( wound-rotor motor )
Motor rotor belitan ( motor cincin slip ) berbeda dengan motor sangkar tupai dalam
hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan
lilitan stator. Lilitan fasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat
dilihat pada Gambar 2.5. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata –
mata merupakan penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor.
Gambar 2.5 Cicin Slip
Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang
Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan
menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil
dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga fasa rotor belitan ditunjukkan pada
gambar di bawah ini.
Gambar 2.6 Rotor Belitan
2.4 Medan Putar
Medan putar dapat dijelaskan pada gambar di bawah dengan “menghentikan” medan
tersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandai dengan interval 60o pada gelombang sinus
yang mewakili arus yang mengalir pada tiga fasa A,B, dan C. Jika arus mengalir dalam suatu
fasa adalah positif, medan magnet akan menimbulkan kutub utara pada kutub stator yang
F
F
F F
F
F
F
Gambar 2.7 Medan Putar
Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positif maksimumnya. Pada saat yang
sama, arus pada fasa A dan B berada pada separuh harga negative maksimumnya. Medan
magnet yang dihasilkan terbentuk secara vertical dengan arah ke bawah, dengan kekuatan
medan maksimum terjadi sepanjang fasa C, antara kutub C (utara) dengan C’ (selatan).
fasa A dan B, dengan kutub-kutub A’ dan B’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A
dan B menjadi kutub-kutub selatan. Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi
sebanyak 60 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa A telah naik hingga harga
negative maksimumnya. Arus pada fasa B mempunya arah yang berlawanan dan berada pada
separuh harga maksimum positifnya. Begitu pula arus pada fasa C telah turun hingga separuh
dari harga maksimum positifnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk ke kiri arah
bawah, dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasa A, antara kutub-kutub A’ (utara)
dan A (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang timbul
sepanjang fasa B dan C, dengan kutub B dan C menjadi kutub utara dan
kutub-kutub B’ dan C’ menjadi kutub-kutub-kutub-kutub selatan. Di sini terlihat bahwa medan magnet pada
stator motor secara fisik telah berputar sebanyak 60o. Pada posisi T3, gelombang sinus arus
berputar lagi 60 derajat listrik dari posisi sebelumnya hingga total rotasi pada posisi ini
sebesar 120 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa B telah naik hingga mencapai
harga positif maksimumnya. Arus pada fasa A telah turun hingga separuh dari harga negative
maksimumnya, sementara arus pada fasa C telah berbalik arah dan berada pada separuh harga
negative maksimumnya pula. Medan magnet yang dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengan
kekuatan medan maksimum sepanjang fasa B, antara kutub B (utara) dan B’ (selatan). Medan
magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah sepanjang fasa A dan C, dengan
kutub A’ dan C’ menjadi kutub utara dan kutub A dan C menjadi
kutub-kutub selatan. Sehingga terlihat di sini bahwa medan magnet pada stator telah berputar 60o
lagi dengan total putaran sebesar 120o. Pada posisi T4, gelombang sinus arus telah berotasi
sebanyak 180 derajat listrik dari titik T1 sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalah
indentik dengan posisi T1 kecuali bahwa polaritasnya telah berbalik. Karena fasa C kembali
pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C kembali berada pada
medan maksimum. Meskipun demikian, dengan arus yang mengalir dalam arah yang
berlawanan pada fasa C, medan magnet yang timbul mempunyai arah ke atas antara kutub C’
(utara) dan C (selatan). Terlihat bahwa medan magnet sekarang telah berotasi secara fisik
sebanyak 180o dari posisi awalnya. Pada posisi T5, fasa A berada pada harga positif
maksimumnya, yang menghasilkan medan magnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali,
medan magnet secara fisik telah berputar 60o dari titik sebelumnya sehingga total rotasi
sebanyak 240o. Pada titik T6, fasa B berada pada harga maksimum negative yang
menghasilkan medan magnet ke arah bawah sebelah kanan. Medan magnet pun telah berotasi
sebesar 60o dari titik T5 sehingga total rotas adalah 300o. Akhirnya, pada titik T7, arus
kembali ke polaritas dan nilai yang sama seperti pada Posisi T1. Karenanya, medan magnet
yang dihasilkan pada posisi ini akan identik dengan pada posisi T1. Dari pembahasan ini,
terlihat bahwa untuk satu putaran penuh gelombang sinus listrik (360o), medan magnet yang
timbul pada stator sebuah motor juga berotasi satu putaran penuh (360o). Sehingga, dengan
menerapkan tiga-fasa AC kepada tigfa belitan yang terpisah secara simetris sekitar stator,
medan putar (rotating magnetic field) juga timbul.
2.5 Perinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa
Secara umum perinsip kerja motor induksi dapat dijabarkan dalam langkah –
langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol Ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan
tiga phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa.
2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah
3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus
terhadap belitan phasa
e1 =
dt d
N Φ
− 1 ( Volt )
atau E1 =4,44fN1Φ ( Volt )...(2.1)
5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar dengan
kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi
stator f yang dirumuskan dengan
p f
ns =120× ( rpm )
6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya
pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya
E2 =4,44fN2Φm ( Volt )
dimana :
E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)
N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor
Фm = Fluksi maksimum(Wb)
7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan
menghasilkan arus I2
8. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor
9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban,
rotor akan berputar searah medan putar stator
10.Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron.
Perbedaan kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan
dinyatakan dengan
100%
s r s − ×
=
11.Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada
kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini
dinyatakan dengan E2s yang besarnya
E2s =4,44sfN2Φm ( Volt )
dimana
E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt)
f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan
berputar)
12.Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan
rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns
2.6 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi a. Rangkaian Ekivalen Stator
Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metoda rangkaian
ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan
rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan
sebagai berikut :
1
V
1
R
1
X
1
I
c
R Xm
0
I
c
I Im
2
I
1
E
[image:30.595.212.419.578.690.2]V1 = tegangan terminal stator ( Volt )
E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan ( Volt )
I1 = arus stator ( Ampere )
R1 = tahanan efektif stator ( Ohm )
X1 = reaktansi bocor stator ( Ohm )
Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan komponen arus
penguat I0. Komponen arus penguat I0 merupakan arus stator tambahan yang diperlukan
untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan merupakan fungsi ggm E1.
Komponen arus penguat I0 terbagi atas komponen rugi – rugi inti IC yang sefasa
dengan E1 dan komponen magnetisasi IM yang tertinggal 900 dari E1.
Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya ( Erotor ) dan
tegangan yang diinduksikan pada rotor ekivalen ( E2S ) adalah :
rotor S E
E2
=
2 1
N N
= a
atau
E2S = a Erotor ………...………... ( 2.2 )
dimana a adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya a kali
jumlah lilitan rotor.
Bila rotor – rotor diganti secara magnetik, lilitan – ampere masing – masing harus
sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2S pada rotor ekivalen adalah
:
I2S =
a Irotor
………...………. ( 2.3 )
sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen dan
Z2S = = S S I E 2 2 = rotor rotor I E a2 rotor Z a2
…...………( 2.4 )
Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai nilai yang
referensinya ke stator.
Selanjutnya persamaan ( 2.4 ) dapat dituliskan :
= S S I E 2 2 S
Z2 = R2+ jsX2 ………...( 2.5 )
dimana :
Z2S = impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap fasa dengan referensi ke stator
( Ohm ).
R2 = tahanan efektif referensi ( Ohm )
sX2 = reaktansi bocor referensi pada frekuensi slip X2 didefinisikan sebagai harga
reaktansi bocor rotor dengan referensi frekuensi stator ( Ohm ).
b. Rangkaian Ekivalen Rotor
Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.5) dinyatakan dalam cara yang demikian
karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X2 didefinisikan sebagai harga yang
akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada frekuensi stator.
Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang
fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E2s dan ggl
lawan stator E1. Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan rotor akan sama dengan
tegangan stator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan stator. Karena kecepatan relatif
gelombang fluks terhadap rotor adalah s kali kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl
efektif pada stator dan rotor adalah:
Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang dihasilkan
komponen beban I2 dari arus stator, dan karenanya, untuk harga efektif
I2s= I2...(2.7)
Dengan membagi persamaan (2.6) dengan persamaan (2.7) didapatkan:
= S S I E 2 2 2 1 I sE ………...……..(2.8)
Didapat hubungan antara persamaan (2.7) dengan persamaan (2.8), yaitu
= S S I E 2 2 2 1 I sE
= R2+ jsX2……...…...…....(2.9)
Dengan membagi persamaan (2.9) dengan s, maka didapat
2 1 I E = s R2
+ jX2……….………...……(2.10)
Dari persamaan (2.5) , (2.6) dan (2.10) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada
rotor sebagai berikut :
s
E2 E1
2 R 2 sX 2 X s R2 2 R ) 1 1 ( 2 − s R 2
I I2
2 X 2 I 1 E
Gambar2.9 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi.
s R2 = s R2
+ R2- R2
s R2
= R2+ 2(1−1)
s
R ………...(2.11)
Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka
dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa pada masing – masing fasanya.
[image:33.595.122.526.451.535.2]1
V
1 R 1 X 1 I cR Xm
Φ
I
c
I
Im2 I 1 E 2 sX 2 I 2 R 2 sE
Gambar2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa
Untuk mempernudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada gambar 2.10 diatas
dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan dapat
digambarkan sebagai berikut.
1
V
1
R X1
c R m X ' 2 X 1 E 1
I I0
c I m I 2 ' I s R2'
Gambar2.11 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi
Atau seperti gambar berikut :
1
V
1
R X1
c R m X 2 ' R ' 2 X ) 1 1 ( ' 2 − s R 1 E 1
I I0
[image:34.595.133.481.76.197.2]c I m I 2 ' I
Dimana:
2 '
X = a2X2
2 '
R = 2 2
R a
Dalam teori transformator-statika, analisis rangkaian ekivalen sering disederhanakan
dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan pendekatan dengan
memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam
motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang
menjadikan perlunya suatu arus peneralan yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus
beban penuh) dan karena reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian
ekivalen Rcdapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi gambar berikut.
1
V
1
R X1
m X 2 ' R ' 2 X ) 1 1 ( ' 2 − s R 1 E 1
I I0
2 '
[image:35.595.136.463.392.531.2]I
Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi
2.7 Alran Daya Motor Induksi
Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke rotor,
sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang diinputkan ke rotor. Daya
total yang dimasukkan pada kumparan stator (Pin) dirumuskan dengan
θ cos 3 1 1 in VI
dimana :
V1 = tegangan sumber (Volt)
I1 = arus masukan(Ampere)
θ = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber.
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 ( Pi )
Pi =
C R
E12
. 3
( Watt ) ………...…..( 2.13 )
rugi – rugi gesek dan angin
2. Rugi – rugi variabel, terdiri dari :
rugi – rugi tembaga stator ( Pts )
Pts = 3. I12. R1 ( Watt ) ………...….( 2.14 )
rugi – rugi tembaga rotor ( Ptr )
Ptr = 3. I22. R2 ( Watt ) …………...………..( 2.15 )
Daya pada celah udara ( Pcu ) dapat dirumuskan dengan :
Pcu = Pin – Pts – Pi ( Watt ) …………...……( 2.16 )
Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian ekivalen yang
mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R2 / s. Oleh karena itu daya pada celah
udara dapat juga ditulis dengan :
Pcu = 3. I22.
S
R2
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 :
Pmek = Pcu – Ptr ( Watt ) …………...………( 2.18 )
Pmek = 3. I22.
S
R2
- 3. I22. R2
Pmek = 3. I22. R2. (
s s
−
1 )
Pmek = Ptr x (
s s
−
1
) ( Watt ) …………...…( 2.19 )
Dari persamaan ( 2.15 ) dan ( 2.17 ) dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga
dengan daya pada celah udara :
Ptr = s. Pcu ( Watt ) ………...…………( 2.20)
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 :
Pmek = Pcu x ( 1 – s ) ( Watt ) …………...…( 2.21 )
Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya
mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin, sehingga daya keluarannya :
Pout = Pmek – Pa&g – Pb ( Watt ) ………...…( 2.22 )
Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan
dalam bentuk slip yaitu :
[image:37.595.139.492.704.837.2]Pcu : Ptr : Pmek = 1 : s : 1 – s.
Gambar 2.14 menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga phasa :
Gambar 2.14 Diagram aliran daya motor induksi
2.8 Efisiensi Motor Induksi Tiga Phasa
Efisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan sebagai ukuran keefektifan 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 :
Loss out out in loss in in out % 100 % 100 (%) P P P x P P P x P P + = − = =
η ×100%. ………...…….( 2.23 )
Ploss = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb ……….…………...……….( 2.24 )
Pin = 3 . V1. I1. Cos φ1 ………...……( 2.25 )
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa efisiensi motor tergantung pada besarnya
rugi – rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan efisiensi motor induksi
bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secara penuh atau pembebanan
simulasi yang harus digunakan.
Gambar 2.15. Efisiensi pada motor induksi dimana :
Pcu = daya yang diinputkan ke rotor ( Watt )
Ptr = rugi – rugi tembaga rotor ( Watt )
Efisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban nol
dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi – rugi mekanik
dan rugi – rugi inti. Rugi – rugi tembaga stator tidak dapat diabaikan sekalipun motor
berbeban ringan maupun tanpa beban.
2.9 Penentuan Parameter Motor Induksi 2.9.1 Pengujian DC
Pengujian ini digunakan untuk mengetahui nilai parameter resistansi stator ( primer )
R1. Pada pengujian ini kumparan stator dialiri arus searah, sehingga suhunya mencapai suatu
nilai yang sama jika motor induksi beroperasi pada kondisi operasi normal ( resistansi
[image:39.595.94.451.435.550.2]kumparan merupakan fungsi suhu ).
Gambar 2.16 Rangkaian pengujian tahanan stator arus searah motor induksi
Pada percobaan ini, jika kumparan stator terhubung bintang (Gambar 2.16.a), maka
arus akan mengalir melewati dua kumparan dengan resistansi sebesar 2R1, sehingga :
AS AS I V
= 2R1
R1 =
AS AS I V
2 ………...…………( 2.26 )
Sedangkan jika terhubung segitiga (Gambar 2.16.b), maka arus akan mengalir
melewati ketiga kumparan tersebut yang besarnya secara ekivalen terlukis pada gambar
berikut, dengan resistansi total :
Sehingga :
AS AS I V
=
3 2
. Rt
atau
R1 =
AS AS I V
2 3
………...…………( 2.27 )
Nilai R1 yang didapat hanya merupakan nilai pendekatan, karena pada kondisi operasi
normal, motor induksi diberikan pasokan tegangan arus bolak – balik yang dapat
menimbulkan efek kulit ( skin effect ) yang mempengaruhi besarnya nilai R1.
2.9.2 Pengujian Rotor Tertahan
Pengujian ini pada prinsipnya adalah seperti pengujian hubung – singkat pada
transformator. Motor induksi dihubungkan dengan sumber daya listrik, serta instrumen –
instrumen ukur pada gambar berikut :
1
R
1
R
1
P1
P2
V A
A
A
Motor IR
IS
IT
fr = fj = f uji
[image:41.595.93.497.70.197.2]Rotor Ditahan
Gambar 2.17 Rangkaian rotor ditahan motor induksi
di mana :
fr = frekuensi rotor; fj = frekuensi jaringan listrik; fuji = frekunsi uji
Pada pengujian ini, rotor ditahan agar tidak berputar dan pada saat itu nilai–nilai pada
instrumen ukur dicatat. Pada pengujian ini ketika setelah frekuensi dan tegangan diatur, serta
rotor ditahan, arus yang mengalir pada motor harus dengan segera disetel pada nilai
nominalnya, data daya masukan, tegangan dan arus yang terukur harus dengan segera dicatat
sebelum rotor menjadi sangat panas. Sumber daya yang digunakan adalah sumber daya yang
tagangan dan frekuensinya dapat disetel atau diatur ( adjustable ).
IRT ( jala – jala ) =
3
T S
R I I
I + +
≈ Inominal ……...…………( 2.28 )
di mana :
IRT = arus rata – rata pada saat pengujian rotor ditahan.
Adapun nilai impedansi per fasa pada percobaan ini sebesar :
ZRT =
RT ph R
V
………...…………..( 2.29 )
di mana :
ZRT = RRT + jXRT' ………...………( 2.30 )
XRT' = X1' + X2'………...….( 2.32 )
di mana :
R1 dan R2 adalah besarnya resistansi kumparan stator dan kumparan rotor.
X'1 dan X'2 adalah besarnya reaktansi kumparan stator dan rotor pada frekuensi uji.
Sedangkan besarnya reaktansi kumparan stator dan rotor pada kondisi operasi normal
adalah :
XRT =
uji al no
f f min
. XRT' = X1 + X2 ………...……( 2.33 )
[image:42.595.136.461.410.581.2]Adapun untuk menentukan besarnya nilai X1 dan X2 dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 2.1. Standar besarnya reaktansi berbagai jenis desain rotor.
Tabel di atas didasarkan pada percobaan yang telah dilakukan bertahun – tahun
lamanya dan dijadikan standar NEMA ( National Electrical Manufacturers Association ).
2.9.3 Percobaan Beban Nol
Disain Rotor X1 X2
Rotor belitan 0,5 XRT 0,5 XRT
Kelas A 0,5 XRT 0,5 XRT
Kelas B 0,4 XRT 0,6 XRT
Kelas C 0,3 XRT 0,7 XRT
Motor induksi dalam keadaan beban nol dibuat dalam keadaan berputar tanpa
memikul beban pada rating tegangan dan frekuensinya. Besar tegangan yang digunakan ke
belitan stator perphasanya adalah V1( tegangan nominal), arus masukan sebesarI0 dan
dayanya P0. Nilai ini semua didapat dengan melihat alat ukur pada saat percobaan beban nol.
Dalam percobaan beban nol, kecepatan motor induksi mendekati kecepatan
sinkronnya. Dimana besar s 0, sehingga s R2'
~ sehingga besar impedansi total bernilai
tak berhingga yang menyebabkan arus I'2 pada Gambar 2.19 bernilai nol sehingga
rangkaian ekivalen motor induksi pada pengukuran beban nol ditunjukkan pada Gambar 2.20.
Namun karena pada umumnya nilai kecepatan motor pada pengukuran ini nr0 yang diperoleh
tidak sama dengan ns maka slip tidak sama dengan nol sehingga ada arus I2’ yang sangat kecil
mengalir pada rangkaian rotor, arus I'2 tidak diabaikan tetapi digunakan untuk menghitung
rugi – rugi gesek + angin dan rugi – rugi inti pada percobaan beban nol. Pada pengukuran ini
didapat data-data antara lain : arus input (I1=I0), tegangan input (V1 = V0), daya input
perphasa (P0) dan kecepatan poros motor (nr0). Frekuensi yang digunakan untuk eksitasi
[image:43.595.148.459.528.666.2]adalah frekuensi sumber f.
Iφ
Zm
V1
I1 = Iφ
Im Ic Rc jX1 R1 Xm s R'2 2
'
X
Gambar 2.19 Rangkaian Ekivalen pada Saat Beban Nol
Dengan tidak adanya beban mekanis yang terhubung ke rotor dan tegangan normal
diberikan ke terminal, dari Gambar 2.19 didapat besar sudut phasa antara arus antara I0 dan
0
V adalah :
= − 0 0 0 1 0 I V P Cos θ ...(2.34)
Dimana: P0 =Pnl =daya saat beban nol perphasa
1 0 V
V = = tegangan masukan saat beban nol
= =Inl
I0 arus beban nol
dengan P0 adalah daya input perphasa. Sehingga besar E1 dapat dinyatakan dengan
E1=V1∠0o −(Iϕ∠θ0)(R1 + jX1) (Volt )...(2.35)
ro
n adalah kecepatan rotor pada saat beban nol. Daya yang didissipasikan oleh Rc
dinyatakan dengan :
2 1 0 0 c P I R
P = − ( Watt )...(2.36)
1
R didapat pada saat percobaan dengan tegangan DC.
[image:44.595.136.465.80.213.2]
0 2 1 c
P E
R = (Ohm )...(2.37)
Dalam keadaan yang sebenarnya R1 lebih kecil jika dibandingkan dengan Xm dan juga Rc
jauh lebih besar dari Xm, sehingga impedansi yang didapat dari percobaan beban nol
dianggap jX1 dan jXmyang diserikan.
nl
Z =
3
1
nl I
V
≅ j(X1+Xm) ( Ohm )...(2.38)
Sehingga didapat
1 1
3 X
I V X
nl
BAB III
MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR
3.1 Umum
Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Bila
dioperasikan sebagai motor, mesin induksi harus dihubungkan dengan sumber tegangan ( jala
– jala ) yang akan memberikan energi mekanis pada mesin tersebut dengan mengambil arus
eksitasi dari jala – jala dan mesin bekerja dengan slip lebih besar dari nol sampai satu ( 0 ≤ s ≤ 1 ).
Jika mesin dioperasikan sebagai generator, maka diperlukan daya mekanis untuk
memutar rotornya searah dengan arah medan putar melebihi kecepatan sinkronnya dan
sumber daya reaktif untuk memenuhi kebutuhan arus eksitasinya. Kebutuhan daya reaktif
dapat diperoleh dari jala – jala atau dari suatu kapasitor. Tanpa adanya daya reaktif, mesin
induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak menghasilkan tegangan. Jika generator
induksi terhubung dengan jala – jala, maka kebutuhan daya reaktif diambil dari jala – jala.
Namun, bila generator induksi tidak tehubung dengan jala – jala, maka kebutuhan daya
reaktif dapat disediakan dari suatu unit kapasitor. Kapasitor tersebut dihubungkan paralel
dengan terminal keluaran generator. Kapasitor yang terpasang harus mampu memberikan
daya reaktif yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluksi di celah udara. Karena generator
dapat melakukan eksitasi sendiri maka generator tersebut dinamakan generator induksi
penguatan sendiri. Mesin induksi yang beroperasi sebagai generator ini bekerja dengan slip
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
………...……...…...( 3.1 )
dengan :
ns : Kecepatan medan putar, rpm
f : Frekuensi sumber daya, Hz
p : Jumlah kutub motor induksi.
Sehingga ;
s =
s r s
n n n −
. 100 % , nr > ns………...………..( 3.2 )
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. Fungsi pemasangan
kapasitor pada Motor Induksi Sebagai Generator ( MISG ) beroperasi sendiri ini adalah untuk
menyediakan daya reaktif.
Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip ( s ). Slip dapat
dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan sebagai persen dari
kecepatan sinkron.
Slip ( s ) =
s r s
n n n −
x 100 %...( 3.3 )
dimana:
nr = kecepatan rotor ( rpm )
ns = kecepatan sinkron ( rpm )
Apabila nr < ns, ( 0 < s < 1 ), kecepatan dibawah sinkron akan menghasilkan kopel,
rotor dijalankan dengan mempercepat rotasi medan magnet, tenaga listrik diubah ke tenaga
gerak ( daerah motor ).
Bila nr = ns, ( s = 0 ), tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada
belitan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.
Bila nr > ns, ( s < 0 ), kecepatan di atas sinkron, rotor dipaksa berputar lebih cepat
daripada medan magnet. Tenaga gerak diubah ke tenaga listrik ( daerah generator ).
s = 1, rotor ditahan, tidak ada transfer tenaga.
s > 1, kecepatan terbalik, rotor dipaksa bekerja melawan medan magnet ( daerah
pengereman ).
3.4 Frekuensi Rotor
Kecepatan dan jumlah kutub derajat ac menentukan frekuensi tegangan yang
dibangkitkan. Jika generator mempunyai dua kutub ( utara dan selatan ) dan kumparan
berputar pada kecepatan satu putaran per detik, maka frekuensi akan berubah menjadi siklus
per detik. Rumus untuk menentukan frekuensi generator ac adalah :
dimana :
f = Frekuensi tegangan yang diinduksikan ( Hz )
p = jumlah kutub pada rotor
n = kecepatan rotor per menit ( r / menit )
Besarnya tegangan yang di bangkitkan tergantung pada kecepatan pada garis medan
magnet yang dipotong atau dalam hal generator ac, besarnya tegangan tergantung pada kuat
medan dan kecepatan rotor. Karena sebagian besar dioperasikan pada kecepatan konstan,
jumlah GGL yang dibangkitkan menjadi tergantung pada penguatan medan.
[image:49.595.120.482.360.542.2]3.5 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri
Gambar 3.1. Prinsip kerja generator induksi penguatan sendiri
Pada mesin induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan rotor, karena
arus pada rotor merupakan arus induksi. Jika belitan stator diberi tegangan tiga 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
untuk mensuplai tegangan ke stator nanti untuk mempertahankan kecepatan sinkron ( ns )
motor induksi pada saat dilakukan pelepasan sumber tegangan tiga phasa pada stator.
Mesin dc sebagai prime mover 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 discharge 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 negatif ( s < 0 ) dan akan menghasilkan
[image:50.595.102.477.323.563.2]tegangan sehingga motor induksi akan berubah fungsi menjadi generator induksi.
Gambar 3.2. Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi
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 memperbesar pula
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.
3.6 Kapasitor Eksitasi
Untuk menentukan kebutuhan nilai kapasitor eksitasi bagi generator induksi
diasumsikan generator bekerja tanpa beban. Rangkaian ekivalen generator induksi tanpa
beban diperlihatkan dalam Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi Tanpa Beban
Dalam kondisi tanpa beban slip berharga sangat kecil ( s ∼ 0 ), sehingga frekuensi
yang dihasilkan akan sebanding dengan kecepatan putaran rotor. Generator induksi akan
[image:51.595.200.399.354.445.2]membangkitkan tegangan bila jumlah loop reaktansi tertutup dalam rangkaian ekivalen
Gambar 3.3 sama dengan nol. Kapasitor eksitasi adalah kapasitor yang berfungsi
menghasilkan daya reaktiv kepada motor indusi agar dapat beroperasi sebagai generator.
Tanpa adanya sumber daya reaktiv maka peroses perubahan motor induksi menjadi generator
tidak akan mungkin terjadi. Daya reaktif adalah daya yang dihasilkan oleh beban – beban
3.7 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi
Pemasangan kapasitor eksitasi dapat dilakukan dengan hubungan delta dan bintang.
3.7.1 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan Delta ( ∆ )
Untuk sistem 3 fase, kapasitor dapat dihubung delta. Lihat Gambar 3.4 dibawah :
•
•
•
•
∆ cV
∆ CI
Gambar3.4 Kapasitor terhubung delta
Kapasitor terhubung delta memiliki persamaan sebagai berikut :
S S S S S C C C C C C C C X I V I V I V
X 3 3
3 3 = = = = ∆ ∆ ∆
………...…... ( 3.5 )
C∆ perphasa = v f Q
π
2
3 2
∆
[image:52.595.235.360.220.327.2]………...……...( 3.6 )
Gambar dibawah menunjukan suatu generator induksi tiga fasa dengan
mengunakan kapasitor eksitasi hubungan delta seperti ditunjukan pada Gambar 3.5 dibawah
ini.
MISG
[image:52.595.73.511.601.808.2]Gambar3.5 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan delta
3.7.2 Generator Induksi Dengan Kapasitor Eksitasi Hubungan Bintang ( Y )
Untuk sistem 3 fase, kapasitor dapat dihubung bintang. Lihat Gambar 3.6 dibawah :
• • • •
•
• •
•
S
C
V ICS
Gambar3.6 Kapasitor terhubung bintang
3 3
S
S Y
C y C
C
I IC dan V
V = = ………...( 3.7 )
CY perphasa = V f
Q
π
2
2
∆
………...……..( 3.8 )
Gambar 3.7 dibawah menunjukan suatu generator induksi tiga fasa dengan mengunakan
[image:53.595.191.407.254.344.2]Prime mover
MISG
Kapasitor Eksitasi
beban
Gambar3.7 Generator induksi tiga fasa dengan kapasitor eksitasi hubungan bintang
3.8 Peroses Pembangkitan Tegangan dan Rangkaian Ekivalen
Syarat utama terbangkitnya tegangan generator induksi adalah adanya remanensi di
rotor atau kapasitor eksitasi yang digunakan harus mempunyai muatan listrik terlebih dahulu.
Remanensi atau muatan kapasitor merupakan tegangan awal yang diperlukan untuk proses
pembangkitan tegangan selanjutnya. Proses pembangkitan tegangan akan terjadi bila salah
satu syarat di atas dipenuhi. Gambar 3.8 memperlihatkan rangkaian proses pembangkitan
tegangan generator induksi.
E2 E1
C eksitasi beban
[image:54.595.72.513.71.311.2]rotor stator
[image:54.595.169.430.579.678.2]Dari gambar 3.8 dapat dibuat rangkaian ekivalen per phasa generator induksi seperti
gambar 3.9.
Xm
s R
X
R X
I
Xc
Ic E1
b
e
b
a
n
V 2
2
1 1
1
IL
Gambar3.9 Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi Dimana :
R1 = tahanan stator IL = arus beban
R2 = tahanan rotor s = slip
X1 = reaktansi stator v = tegangan keluaran (phasa-netral)
X2 = reaktansi rotor
Xm = reaktansi magnetisasi
XC = reaktansi kapasitansi
I1 = arus stator
IC = arus magnetisasi
Dengan menghubungkan kapasitor di terminal stator, akan terbentuk suatu rangkaian
tertutup. Dengan adanya tegangan awal tadi, di rangkaian akan mengalir arus. Arus tersebut
akan menghasilkan fluksi di celah udara, sehingga di stator akan terbangkit tegangan induksi
sebesar E1. Tegangan E1 ini akan mengakibatkan arus mengalir ke kapasitor sebesar I1.
Dengan adanya arus sebesar I1, akan menambah jumlah fluksi di celah udara, sehingga
tegangan di stator menjadi E2. Tegangan E2 akan mengalirkan arus di kapasitor sebesar I2
meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik keseimbangan E = VC seperti ditunjukkan
dalam gambar 3.10. Dalam kondisi ini tidak terjadi lagi penambahan fluksi ataupun tegangan
yang dibangkitkan.
Gambar3.10 Proses pembangkitan tegangan.
Nilai kapasitor yang dipasang sangat menentukan terbangkitnya tegangan atau tidak.
Untuk terbangkitnya tegangan generator induksi, nilai kapasitor yang dipasang harus lebih
besar dari nilai kapasitor minimum yang diperlukan untuk proses eksitasi. Jika kapasitor yang
dipasang lebih kecil dari kapasitor minimum yang diperlukan, maka proses pembangkitan
tegangan tidak akan berhasil.
[image:56.595.220.409.156.330.2] [image:56.595.231.400.545.719.2]Diagram aliran daya nyata dan rugi-rugi daya generator induksi penguatan sendiri
ditunjukkan dengan gambar 3.12.
Gambar3.12 Diagram aliran daya nyata.
Rugi-rugi gesekan dan angin Pg+a, rugi-rugi inti stator Pi biasanya dianggap konstan
dan disebut rugi-rugi beban nol. Sedangkan rugi-rugi tembaga stator dan rotor tidak tetap dan
besarnya sangat tergantung kepada arus beban. Diagram aliran daya dan rugi-rugi daya nyata
generator induksi dapat dinyatakan dengan persamaan-persamaan sebagai berikut :
P1 = Pmek - Pg+a………...…………...(3.9)
Pc = P1 - Pcu2………...…..………….(3.10)
P2 = Pc – Pcu1 – Pi………..…...……….(3.11)
dengan :
P1 = daya masukan rotor
P2 = daya keluaran stator
Pmek = daya mekanis dari prime mover
Pg+a = rugi-rugi gesek dan angin
Pi = rugi-rugi inti stator
Pc = daya pada celah udara
Pcu1 =rugi-rugi tembaga stator
[image:57.595.169.443.135.274.2]3.10 Efisiensi
Sama halnya dengan mesin – mesin listrik yang lain, pada motor induksi sebagai
generator rugi – rugi terdiri dari rugi – rugi tetap dan rugi – rugi variabel. Pada kondisi beban
nol daya outputnya sama dengan nol, sehingga efisiensi bernilai nol. Apabila motor induksi
berbeban ringan, maka rugi – rugi tetap akan lebih besar jika dibandingkan terhadap
outputnya, sehingga efisiensi rendah. Jika beban meningkat, maka efisiensinya juga akan
meningkat dan akan menjadi maksimum sewaktu rugi – rugi variabel sama dengan rugi – rugi
inti. Efisiensi maksimum terjadi saat 80 hingga 95 persen dari rated output. Jika beban
ditingkatkan secara terus – menerus hingga melampaui efisiensi maksimumnya rugi – rugi
beban akan meningkat dengan sangat cepat daripada outputnya, sehingga efisiensi menurun.
Adapun efisiensi dapat diperoleh dengan persamaan berikut :
Loss out out in loss in in out % 100 % 100 (%) P P P x P P P x P P + = − = = η ...(3.12)
3.11 Generator Induksi Penguatan Sendiri Keadaan Berbeban
Generator induksi penguatan sendiri hubungan short – shunt merupakan salah satu cara untuk mengkompensasi tegangan keluaran generator induksi penguatan sendiri yaitu
dengan cara menambahkan kapasitor yang terhubung seri di sisi beban.
M
MI
Motor Penggerak
Motor Induksi
Kapasitor Eksitasi
Kapasitor Kompensasi
Beban
[image:59.595.102.512.74.229.2]R
Gambar 3.13 Rangkaian generator induksi penguatan sendiri hubungan short – shunt
Rangkaian ekivalen perfasa generator induksi hubungan short shunt diperlihatkan
pada gambar berikut :
R
1R
2R
LjX
LjX
1-jX
c-jX
csjX
mjX
2I
1I
LE
1V
Ls
Gambar 3.14 Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi hubungan short shunt
3.12 Persamaam Tegangan, Arus dan Daya Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri
Berdasarkan rangkaian ekivalen perfasa generator induksi hubungan short shunt maka
[image:59.595.158.456.407.524.2]Arus Stator (Is) = ……...( 3.13 )
Arus Beban (Il) = ………...( 3.14 )
Tegangan Beban ( VL ) = IL ( RL + j XL ) ………...………...( 3.15 )
Daya Output Perfasa ( Pout ) = IL2 RL ………...………( 3.16 )
VR ( % ) =
FL L F NL
V V
V −
BAB IV
ANALISA PERBANDINGAN KAPASITOR EKSITASI HUBUNGAN DELTA DAN BINTANG DENGAN KOMPENSASI KAPASITOR TERHADAP RAGULASI DAN
EFISIENSI GENERATOR INDUKSI 4.1 Umum
Untuk dapat melihat bagaimana pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan
dan efisiensi pada generator induksi penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan
menggunakan kapasitor, maka diperlukan beberapa pengujian. Pengujian tersebut adalah :
1. Pengujian tahanan stator DC
2. Pengujian beban nol generator induksi penguatan sendiri
3. Pengujian berbeban dan tanpa beban generator induksi penguatan sendiri dengan
membandingkan kapasitor eksitasi hubungan Delta dan Bintang dengan
menggunakan kompensasi tegangan menggunakan kapasitor
Parameter mesin yang diperlukan adalah Tahanan stator R1. Parameter tersebut
digunakan untuk menghitung nilai rugi-rugi tembaga stator. Parameter tersebut diperoleh
melalui pengukuran langsung dengan pengujian tegangan DC. Penelitian ini dimaksudkan
untuk melihat pengaruh pembebanan terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada generator
induksi penguatan sendiri. Dalam percobaan ini digunakan beban jenis lampu pijar yang
dirangkai sedemikian rupa dan dengan menggunakan saklar sehingga besar beban dapat
diubah-ubah sesuai dengan tujuan penelitian.
4.2 Peralatan Yang Digunakan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian generator induksi penguatan sendiri
dengan kompensasi tegangan menggun
