Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai Generator: Penentuan Nilai Kapasitor Untuk Penyedia Daya Reaktip

(1)

JETri,

Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372

Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai

Generator: Penentuan Nilai Kapasitor

Untuk Penyedia Daya Reaktip

Chairul Gagarin Irianto

Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti

Abstract

A squirrel cage induction motors are frequently used due to its merits such as strong and rigid construction, easy maintenance, low cost, and easy to get from the market. For every conservation, induction motor is frequently used as a generator for the above reasons. The operation of motor as an induction generator needs reactive power. Reactive power can be obtained from the grid. If the induction generator separated or isolated from the grid, reactive power can be obtained from capacitor. Capacitor can be installed at the induction motor terminals. The capacitor value will determine the generator load. If the load is increasing, the voltage will drop. From the experiment, we can determine the suitable capacitor value for the load capacity provided by the induction generator.

Keywords: energy conservation, reactive power, suitable capacitor value

1. Pendahuluan

Untuk menghasilkan energi listrik dapat digunakan berbagai cara, salah satu cara yang paling umum digunakan adalah mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik dari penggerak mula digunakan untuk memutar generator. Generator inilah yang selanjutnya mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Pada umumnya generator yang dipakai adalah jenis generator sinkron. Karena generator tersebut lebih stabil saat terjadinya perubahan beban. Pada kasus ini sebagai bahan studi dipakai generator induksi. Alasan mengapa digunakan generator induksi untuk dianalisa karena generator induksi ini memiliki keunggulan dari segi harga dan perawatannya selain itu kontruksinya yang sederhana rotor tanpa sikat (rotor sangkar), tidak memakai penguatan dc (Djoekardi, 1996: 2-3). Di negara maju dan berkembang dimana upaya konservasi energi merupakan suatu kebutuhan pemakaian generator induksi telah banyak dijumpai pada system pembangkit listrik tenaga angin, biogas dan lain – lain.

(2)

JETri,

Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372

2. Aplikasi Generator Induksi pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Generator induksi sering dipasang guna mencukupi suplai daya tambahan untuk beban di daerah terpencil dimana layanan saluran transmisinya terbatas. Dengan segala keunggulan yang disebutkan diatas adalah pilihan yang tepat pada kasus ini digunakan mesin induksi sebagai generator.

Penggunaan generator induksi pada system pembangkit tenaga angin dimana mesin atau kincir angin yang memutar generator tidak mengharuskan pada kecepatan sinkronnya. Dengan demikian, jika daya yang dibangkitkan tidak mensyaratkan frekwensi dan tegangan tetap maka generator dapat dioperasikan stand alone, atau terisolasi, terlepas dari saluran publik (Chan, 1993: 2-3). Jenis beban yang dapat dilayani oleh generator induksi ini diantaranya adalah mesin pompa air, kipas angin atau pemanas.

Angin hampir ada di setiap permukaan bumi, tetapi hanya sedikit daerah yang bisa memanfaatkan angin sebagai sumber energi. Daerah tersebut terutama terdapat dibelahan bumi bagian utara dan selatan, yaitu didaerah dimana keadaan angin cukup stabil kekuatan dan frekuensinya. Contohnya di Swedia dan Jerman banyak unit tenaga angin dibangun di wilayah sepanjang pantai negara ini. Juga didaerah pegunungan. Gambar 1. merupakan contoh dari skema unit tenaga angin (Thedy, 2003: 4).

(3)

Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan

3. Teori Generator Induksi

Kurva karakteristik Kopel – Kecepatan mesin induksi untuk berbagai mode operasi terlihat pada Gambar 2. berikut;

Gambar 2 Kurva Karakteristik Kopel - Selip

Jika pada lengkung kopel-putaran, kopel dan putaran mempunyai tanda yang berlawanan sehingga perkalian kopel nominal,Tn dan putaran menjadi negatif, maka mesin induksi bekerja sebagai generator. Yang akan diperhatikan adalah harga kopel T negatif dan putaran positif, jadi pada slip negatif. Itu artinya motor induksi diputar melebihi kecepatan sinkronnya (Djoekardi, 1996: 39).

Untuk diagram Heyland (dapat dilihat gambar 3 pada halaman berikut ini) hal ini berarti komponen watt Iw dari arus I adalah negatif terhadap tegangan V, sehingga perkalian VI cos  menjadi negatif. Komponen daya reaktif atau komponen buta Ib dari arus I masih positif, mesin masih harus mendapat arus buta dari luar dalam hal ini dari kapasitor.

Perubahan pembebanan mengakibatkan perubahan putaran dan arus buta yang diperlukan mesin. Diagram Heyland berlaku untuk frekuensi atau tegangan tertentu karena kejenuhan inti besi dan frekuensi dapat mempengaruhi reaktansi-reaktansi mesin.

Daerah Pengereman Daerah Motor _{Daerah Generator}

Kopel TMax T Slip TMin Ta 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 -1,4

(4)

JETri,

Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372 V I_m I_b I w 

Gambar 3. Diagram Heyland Kerja Generator

Pemasangan Kapasitor

Jika generator induksi langsung dihubungkan ke jala-jala maka daya reaktif disediakan oleh jala-jala. Jika generator induksi bekerja sendiri maka diperlukan penyedia daya reaktif. Dan daya reaktif tersebut didapat dari kapasitor yang dipasang pada terminal generator tersebut. Besarnya nilai kapasitor tersebut ditentukan dari diagram Heyland yaitu dari besarnya arus buta yang diperlukan pada beban tertentu (Murthy & Malik, 1982: 33).

b n c I V x  ………. (1) c fx c



2 1  ………. (2) dimana:  n V tegangan nominal.  b

I Arus buta didapat dari diagram Heyland 

c

(5)



c nilai kapasitor yang diperlukan untuk menyediakan arus buta



f

frekuensi yang diinginkan

4. Analisis Percobaan Generator Induksi

Pada percobaan generator induksi ini dipakai penggerak 4 buah motor arus searah penguatan terpisah masing-masing dengan daya 100 watt. Sedangkan generatornya dipakai motor kapasitor dengan data sebagai berikut: V = 220 Volt I = 0.64 A f = 50 Hz Putaran 2900 rpm c = 6F

Hubungan rangkaian pada generator induksi seperti pada gambar 4. dibawah ini: V A₁ V₁ V_c A₂ beban Pf A P F  6

(6)

JETri,

Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372 MAS 4x Induction generator PLN V m Im V a Ia

Gambar 5 Rangkaian percobaan Generator Induksi

Dari hasil percobaan beban nol dan hubung singkat diperoleh nilai parameter belitan dan inti dari motor induksi yaitu:

rc = 9680  x c = 3308,27  cos  = 0,32 r1 = r2 = 13,43  x 1 = x 2 = 27,72 

Selanjutnya dari diagram Heyland:

c c c c n m jx r jx r V I   j j j x j I_m 0.066 0.023 27 . 3308 9680 27 . 3308 9680 220    

(7)

Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan 2 1 2max x x V I n  

3 .

97 A

72 ,

27

72 ,

27

220 _





jadi jari-jari lingkaran Heyland adalah:

2 97 . 3 2 max 2  I = 1,99 A

Dari hasil pengukuran didapat data sebagai berikut:

Tabel 1. Hasil Pengukuran Pembebanan Generator Beban m I Vm Ia Va P A V Pin



pf

V

1 Vc

A

1

A

2 n 0 0,26 130 0,5 270 0 0 245 168,8 220 350 0,7 0,7 3000 A 0,255 130 0,63 275 50 0,2 225 206,4 24,22 1 220 310 0,7 0,7 3005 B 0,255 130 0,65 285 66 0,4 180 218,4 30,22 1 175 250 0,55 0,55 3005 Catatan:



: efisiensi

pf

: power faktor n : putaran motor(rpm) Beban 0 : tanpa beban Beban A : ( 3 lampu @15W)

Beban B : (1 lampu @ 60 W + 2 lampu @ 15W)

Karena kapasitor dalam motor induksi running kapasitor diseri dengan belitan maka nilai kapasitor tersebut berubah dan dari hasil percobaan:

Tegangan = 225 volt maka diperoleh daya = 50 watt Tegangan = 180 volt maka diperoleh daya = 66 watt maka dapat diperkirakan pada tegangan 220 volt dayanya adalah :

P = 50 + (225 – 220)

180

225

50

66 



= 51,78 watt

(8)

JETri,

Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372 IpT =

220

78 ,

51

= 0,235

Ipq = IpT + IqT

Ipq = 0,235 + 0,023 = 0,258

Iqm = Imp2 Ipq2

= 1,992 0,2582

= 1,973 Ipoq = Ipom - Iqm

Ipoq = 1,99 – 1,973 = 0,017Ipom - Iqm Ib = Ioa + Ipoq Ib = 0,066 + 0,017 = 0,083 b n c I V x 

083 ,

0

220 

c

x

= 2650,6  c fx c



2 1  c =

6 ,

2650

2

1 f



= 1,2 F

(9)

5. Analisis Pemakaian Kapasitor

Jika pada penggunaan kapasitor

1 

F

parallel dengan beban maka nilai kapasitor nya menjadi

2 .

2 

F

menurut teori akan bekerja baik pada harga beban sebagai berikut:

V A₁ V₁ V_c A₂ beban Pf A₃ P A₄

F



F



1 6

A

Gambar 6. Rangkaian Pembebanan Generator Induksi Tabel 2. Hasil Pengukuran Pembebanan Generator

Beban m I V_m I_a V_a P A V in P



pf

V

₁ V_c

A

₁

A

₂ n 0 0,26 130 0,58 260 0 0 280 184,6 0,2 230 380 0,75 0,75 3000 A 0,26 130 0,75 275 60 0,3 250 240,05 24,99 0,95 225 360 0,7 0,7 3005 B 0,26 130 0,85 280 100 0,45 230 271,8 36,79 0,99 215 320 0,67 0,65 3040

(10)

JETri,

Catatan: Power factor leading

c = c

fx



2

1

xc = fc



2 1 =

F

x





50

2 ,

2

1

= 1447,6  xc = b n I V Ib = c n x V =

6 ,

1447

220

= 0,152 A

dengan menggunakan rumus segitiga maka: Ipq = I_mp2 I_qm2

Ip0q = Ib - I0A

Ip0q = 0,152 – 0,066 = 0,086 Iqm = Ipom - Ipoq

(11)

Ipq = 1,992 1,9042 = 0,579

IpT = Ipq - IqT IpT = 0,579 – 0,023 = 0,556

maka daya keluar maksimum generator menurut perhitungan adalah: Pout = 220 x 0,556

= 122,32 watt Dihitung kecepatan putarannya:

Ig = PoPg = I_poq2 I_pq2 Ig = 0,0862 0,5792 = 0,585 j x x s r r V Ig ) ( ₁ ₂ 2 1    j s I_g ) 72 , 27 72 , 27 ( 43 , 13 43 , 13 220    

j

b

55 ,

44

220 



(12)

JETri,

Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372 2 2 2 2 44 , 55 220 585 , 0   b b2 + 55,442 = 2

585 ,

0

220 











= 141427,42 b = 371,96 Karena b = 13,43 +

s

43 ,

13

sehingga: s = 0,037

Karena bekerja sebagai generator diambil harga slip yang negatip maka: s = -0,037 s = s s n n n  = 1 - s

n

Maka

3000

1

037 ,

0 



n



n = 1,037 x 3000 = 3111 rpm

jadi generator bekerja pada kecepatan 3111 rpm.

6. Analisis Perubahan Frekuensi

Jika generator bekerja pada frekuensi 40 Hz maka yang berubah adalah xc, x1 , x2 sehingga:

(13)

Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan x50 = j250L L = 50 2 50



j x besarnya L tetap x40 = j240L x40 = j240 50 2 50



j x x40 =

50

40

x50 xc =

50

40

3308,27  = 2646,66 x1 =

50

40

27,72  = 22,18 x2 = x1 = 22,18 

Dari diagram Heyland, gambar 7 pada halaman berikut ini.

c c c c n m jx r jx r V I   j j x j I_m 66 . 2646 9680 66 . 2646 9680 220  

j

23 .

0

083 .

0 



(14)

JETri,

Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372 I2 max = 2 1 x x Vn  I2 max =

18 .

22

18 .

22

220 

= 4,96 A

Jadi jari-jari lingkaran Heyland adalah :

2 max 2 I =

2

96 .

4

= 2,48 A 40 Hz 50 HZ

Gambar 7. Diagram Heyland 50 dan 40 Hz

Pada penggunaan kapasitor 1F parallel dengan beban dimana nilai kapasitornya menjadi 2,2F menurut perhitungan seperti langkah-langkah sebelumnya (Analisa Pemakaian Kapasitor) maka generator akan bekerja baik pada beban, Pout = 89,98 watt.

7. Analisa Perubahan Tegangan

Jika tegangan turun menjadi 200 volt, frekuensi tetap maka dari diagram Heyland:

(15)

Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan c c c c n m jx r jx r V I   j I_m 0.0610.021 I2 max = 2 1 x x V_n  I2 max =

72 ,

27

72 ,

27

200 

= 3,61 A

jadi jari-jari lingkaran Heyland adalah :

2 max 2 I =

2

61 ,

3

= 1,81 A

Secara skematik setiap perubahan tegangan dapat digambarkan pada diagram Heyland Gambar 8. berikut ini.

240 v

200 v 220 v

(16)

JETri,

Pada penggunaan kapasitor 1F paralel dengan beban maka harga kapasitor menjadi 2,2F (dapat dilihat pada Analisa Pemakaian Kapasitor) generator bekerja baik pada beban Pout = 100,2 watt.

Jika tegangan naik menjadi 240 volt, frekuensi tetap maka seperti pada tegangan 200 Volt dan frekwensi tetap maka daya keluar maksimum generator menurut perhitungan adalah:

Pout = 240 x 0,603 = 144,72 watt

8. Kesimpulan

Setelah membuat generator induksi running kapasitor dan mempelajarinya maka dapat ditarik kesimpulan:

1. Motor induksi rotor sangkar running kapasitor bisa berfungsi sebagai generator jika disediakan daya reaktif pada terminalnya.

2. Jika generator induksi tidak dihubungkan langsung ke jala-jala maka daya reaktif bisa disediakan oleh kapasitor.

3. Motor induksi bekerja sebagai generator jika kecepatan putarannya melebihi kecepatan sinkronnya.

4. Generator induksi rotor sangkar memiliki keunggulan jika dibandingkan dengan generator sinkron dalam hal perawatan karena tidak memakai sikat arang dan tidak memerlukan penguatan DC.

5. Pada generator induksi perubahan beban berpengaruh pada tegangan yang dihasilkan, untuk memperoleh tegangan yang stabil diperlukan perubahan nilai kapasitor sesuai dengan perubahan beban.

Daftar Pustaka

1. Chan, T.F., “Capacitance Requirements of self-exicited induction generators”, IEEE Transactions on energy conversion, Vol.8, no. 2, June 1993.

2. Djoekardi, Djuhana: Mesin-mesin Listrik Motor Induksi (Jakarta: Universitas Trisakti, 1996).

3. Murthy and Malik., “Analysis of self-excited induction generators”, IEE PROC.,Vol. 129, Pt. C. No. 6, NOVEMBER 1982.

4. Thedy Afdullah Fandy, “Mengoperasikan Motor Induksi Running Kapasitor Sebagai Generator”, Jurusan Teknik Elektro, FTI Usakti, 2003