Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri
F. Danang Wijaya
1, Yusuf Susilo W
1, Kevin Dito G.
2dan M Isnaeni BS
11
Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
2Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
Email ;danang@te.ugm.ac.id
Abstract
Indonesia is an archipelago country which is located in tropical area. It has many renewable energy resources such as water and wind. These resources are scaterred around the country. These renewable energy resources can be conversed into electrical energy using induction generator as an isolated system. Induction generator can be selected because its has simple and robust construction, maintenance free, low cost and available in the local market. Generally, the induction generator is operated as an isolated system using self excitation (SEIG-Self Excited Induction Generator) which is produced by capacitor. In order to increase the capacity, paralel operation of the induction generator is applied. The aims of this research are to determaine the characteristic of SEIG, to analize parallel operation of SEIG and to develope practical paralel operation procedure. The research was done by simulation using software and then verified with experiment. The results showed that SEIG required capacitor as self excitation. In the paralel operation, they did not need special synchronization. The generators must be in negatif slip condition. Load sharing between two generators is determined by the rotary speed of the prime mover. Finally, based on the experiment the practical paralel operation procedure has been developed.
Keywords:induction generator, self excited , parallel operation, isolated system, renewable energy
1. Pendahuluan
Indonesia memiliki sumber energi terbarukan khususnya air dan angin yang potensinya berfluktuasi sepanjang tahun, dan letaknya tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Sumber energi terbarukan tersebut dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik terisolasi atau tersambung ke jaringan listrik yang sudah ada dengan motor induksi sebagai generator (MISG) [1][2][3]. Motor induksi dipilih karena sederhana, mudah dirawat, mudah dioperasikan, mudah didapat, dan murah. Potensi – potensi pembangkitan listrik tersebut, walaupun berkapasitas kecil, dapat dikembangkan menjadi potensi pengadaan listrik yang berkapasitas lebih besar, dengan cara memparalel MISG.
Implementasi MISG dalam dunia ketenagalistrikan dapat menjadi pilihan sebagai sumber tenaga listrik yang terisolasi, yakni dengan menggunakan generator induksi bereksitasi sendiri (self-excited induction generator-SEIG). Penggunaan SEIG dengan kapasitor sebagai sumber eksitasi, terkadang memerlukan operasi paralel untuk memenuhi kebutuhan pembangkitan yang lebih besar. Penggunaan MISG dalam operasi paralel memiliki beberapa keuntungan :
1. tidak memerlukan sinkronisasi.
2. generator tidak harus bekerja pada kecepatan sinkron tertentu. [1]
Namun, pemaparan yang lebih lanjut dan langkah praktis dalam pengimplementasian operasi paralel MISG masih sangat jarang ditemukan. Karakteristik operasi paralel perlu dipelajari lebih lanjut untuk mendapatkan langkah praktis dalam kondisi lapangan.
Penelitian ini dilakukan untuk meneliti karakteristik operasi paralel, menganalisis dan
membuat langkah implementasi yang aman melalui simulasi komputer dan pengujian praktek di laboratorium.
2. Prinsip kerja MISG
Kecepatan medan putar di dalam motor induksi dinyatakan oleh persamaan 1.
(1)
dengan ns: kecepatan medan putar, rpm
f : frekuensi sumber daya, Hz p : jumlah kutub motor induksi
Kecepatan putar rotor tidak sama dengan kecepatan medan putar. Perbedaan tersebut dinyatakan dengan slip.
(2)
dengan s : Slip
ns: kecepatan medan putar, rpm
nr: kecepatan putar rotor, rpm
Motor induksi tiga fase dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar atau mesin bekerja pada slip negatif [2].
Kapasitor Discharge Resistors Circuit
Breaker
Beban
Gambar 1. Skema pemasangan kapasitor pada MISG
Nilai kapasitor yang diperlukan oleh generator dinyatakan dengan rumus :
f U
Q phase
per
C
2 3 2
(3)dengan
U= tegangan fase-fase (jika terhubung delta)
f = frekuensi jaringan
Q= daya reaktif yang dikompensasi
Jika kapasitor terhubung bintang, kapasitans yang dibutuhkan per fase adalah tiga kali dari persamaan 3 [2][5].
Pada pengujian tanpa beban, akan didapatkan data
- tegangan antar fase V0
- arus fase I0
- daya masukan tiga fase . untuk, mencari nilai :
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Dengan asumi keadaan tanpa beban MISG membutuhkan kapasitor untuk memenuhi kebutuhan reaktansi magnetisasi Xm, maka Xc yang akan digunakan sama dengan Xm. Sehingga, nilai kapasitor dapat dihitung dengan
(9)
(10)
3. Metodologi Penelitian
Pengujian menggunakan dua metode, simulasi dan metode pengujian fisik. Gambar 2. menggambarkan proses pengujian menggunakan simulasi PSIM 9.0.3. sedangkan untuk pengujian fisik, menggunakan proses pada diagram alir Gambar 3.
Gambar 2. Diagram alir pengujian simulasi.
Gambar 3 Diagram alir pengujian fisik.
3.1. Unit beban
Pengujian fisik menggunakan beban resistif berupa lampu bohlam yang dipasang paralel, 3 fase seimbang terhubungwye. Satu fase memiliki empat lampu 10W, satu lampu 15W, dan satu lampu 25W.
3.2. Unit eksitasi
Unit eksitasi yang digunakan merupakan kapasitor bank dengan tap changer, untuk menambah kapasitas kapasitor. Setiap tap memiliki kapasitas 17μF, 250VAR, dengan jumlah tap 4 tiap fase.
4. Hasil dan Pembahasan 4.1. Pengujian Simulasi
Pengujian simulasi memberikan beberapa karakteristik operasi MISG. Dalam pengujian dilakukan pengujian operasi stand-alone dan pengujian paralel.
Gambar 4 Pengaruh perubahan kapasitas kapasior dalam kondisi stand-alone tanpa beban
Pengujian tanpa beban melibatkan pengaruh kapasitor terhadap besar tegangan keluaran generator. Pengujian tanpa beban, baik dalam kondisi stand-alone dan paralel memiliki karakterisitik sama, karena pada dasarnya melibatkan MISG dan kapasitor sebagai sumber eksitasi. Gambar 4 menunjukan pengaruh kapasitor memberikan kenaikkan pada nilai tegangan. Semakin besar arus eksitasi yang diberikan pada MISG, semakin besar tegangan yang mampu dihasilkan oleh MISG tersebut.
Beban yang terus ditambahkan dalam sistem pembangkitan stand-alone mempengaruhi nilai frekuensi dan slip pada MISG. Semakin besar beban yang ditanggung, semakin turun frekuensi MISG, dan semakin minus nilai slip.
Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6 dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangan sangat terpengaruh oleh perubahan beban. Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai
kapasitor yang tetap, memberikan kondisi pembangkitan yang tetap dengan beban yang terus membesar. Dalam kondisi tersebut, nilai tegangan turun.
Gambar 5 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi
stand-alone.
Gambar 5 memperlihatkan hasil simulasi pengaruh nilai perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip.
Gambar 6 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi
operasistand-alone.
Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6 dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangan sangat terpengaruh oleh perubahan beban. Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai kapasitor yang tetap, memberikan kondisi pembangkitan yang tetap dengan beban yang terus membesar. Dalam kondisi tersebut, nilai tegangan turun.
paralel, dalam keadaan operasi yang identik pada kedua MISG tersebut.
Gambar 7 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi
paralel.
Gambar 8 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi
paralel.
Pengujian simulasi selanjutnya melihat karakterisitk perbedaan kecepatan putar penggerak mula antara MISG 1 dengan MISG 2. Pengujian ini dilakukan untuk simulasi dengan kondisi tidak ideal yang seringkali akan ditemukan pada keadaan nyata. Pada pengujian, kecepatan penggerak mula MISG 2 dirancang untuk konstan, sedangkan pada MISG 1 dirancang untuk terus naik sedikit demi sedikit. Nilai magnitude tegangan yang dihasilkan menjadi fungsi kecepatan putar MISG yang terus berubah. Terdapat karakteristik pengaturan tegangan dan frekuensi pada sistem operasi paralel MISG.
Hasil pengujian menunjukkan jika nilai frekuensi dan tegangan ikut meningkat, seiring meningkatnya nilai kecepatan penggerak mula 1. Hal tersebut dapat menjadi acuan dalam meningkatkan nilai keceptan penggerak mula untuk memperbaiki profil tegangan ketika terdapat beban yang terus meningkat.
Perbedaan kecepatan mempengaruhi nilai arus keluaran sistem paralel MISG dengan melihat beda fase dalam tabel. Semakin jauh dari nilai kecepatan
putar yang sama antara penggerak mula 1 dengan penggerak mula 2, nilai beda fase dalam arus juga semakin besar.
Gambar 9. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi
operasi paralel.
Gambar 10. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi
operasi paralel.
4.2. Pengujian Fisik
Pengujian fisik memiliki tahapan operasi paralel sebagai berikut :
1. Operasikan putaran penggerak mula Motor DC 1 mendekati 1544 rpm.
2. Operasikan nilai kapasitor 500 VAR per fase. 3. Naikkan sumber tegangan DC, agar putaran
penggerak mula Motor DC 1 meningkat, untuk mendapatkan nilai slip yang lebih negatif. 4. Pada kecepatan rotor mencapai 1544 rpm, mesin
induksi 1 mengalami slip negatif dan kemudian beroperasi sebagai generator.
5. Sesuaikan kecepatan putar penggerak mula dan besar kapasitor, untuk memperoleh tegangan 220 V 50 Hz.
6. Operasikan penggerak mula Motor DC 2, putar dengan kecepatan sekitar 1522 rpm.
7. Tambahkan nilai kapasitor menjadi 750 VAR per fase. Abaikan perubahan tegangan keluaran MISG 1.
9. Tambahkan kecepatan putar penggerak mula Motor DC 2 hingga slip motor induksi menjadi negatif.
10. Setelah slip mesin induksi 2 negatif, mesin induksi 2 menjadi MISG 2, kemudian lakukan pengaturan kecepatan penggerak mula Motor DC 1 dan penggerak mula Motor DC 2, serta atur nilai kapasitor bank pada nilai maksimal kapasitor, 1kVAR per fase untuk mendapatkan tegangan nominal fase-netral 220 V 50 Hz. 11. Setelah kedua motor induksi mampu menjadi
generator, inputkan beban sedikit demi sedikit.
Setelah pengujian fisik, kemudian dilakukan pengujian pada keadaan berbeban. Dari hasil pengujian fisik tersebut, semakin besar beban yang ditanggung oleh operasi paralel MISG, maka nilai kecepatan penggerak mula mengalami penurunan. Hasil yang sama terdapat pada besaran frekuensi dan tegangan keluaran. Hasil pengamatan terhadap tegangan, frekuensi, dan kecepatan putar penggerak mula memiliki karakteristik yang sama dengan hasil pengujian simulasi. Sehingga melalui kedua data tersebut, dapat dinyatakan bahwa nilai tegangan, frekuensi, dan kecepatan putar rotor dapat dipengaruhi oleh perubahan beban. Pengujian menunjukkan bahwa nilai slip kedua MISG masih negatif dengan variasi kecepatan penggerak mula tersebut, menunjukkan bahwa kedua generator masih dapat terus menyuplai beban.
Pengujian berbeban memberikan gambar grafik sebagai berikut :
Gambar 11. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai kecepatan putar penggerak mula dalam
pengujian fisik operasi paralel.
Gambar 12. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai slip dalam pengujian fisik operasi paralel.
Gambar 13. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan frekuensi dalam pengujian fisik
operasi paralel.
Berdasarkan hasil pengujian berbeban tersebut, terdapat kesesuaian antara pengujian simulasi dengan pengujian fisik, sehingga dapat diketahui untuk beban yang terus bertambah nilai frekuensi turun, nilai tegangan turun, kecepatan putar turun.
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi dan pengujian laboratorium, menghasilkan beberapa kesimpulan sebagai berikut.
1. Sebuah mesin induksi tiga fase beroperasi sebagai generator apabila :
a. kecepatan putar rotor melebih kecepatan putar sinkron
b. mengkonsumsi daya reaktif yang dicatu oleh kapasitor
2. Dua buah generator induksi dapat diparalel apabila arah putaran penggerak mula dan arah medan putar generator pertama dan kedua sama
3. Operasi paralel MISG tidak memerlukan sinkronisasi tegangan, urutan fase, dan frekuensi, seperti pada pengoperasian paralel generator sinkron.
5. Pengujian simulasi pada beban resistif diperoleh:
a. nilai kapasitas kapasitor yang bertambah mempengaruhi peningkatan tegangan dan arus keluaran generator.
b. nilai kecepatan yang terus bertambah mempengaruhi peningkatan nilai tegangan keluaran dan frekuensi sistem MISG. 6. Langkah – langkah praktis operasi paralel
generator induksi telah disusun.
Daftar Pustaka
[1] Al-Bahrani, Abdallah H. dan Nazar H. Malik. (1994). Parallel Operation of Self-excited Induction Generators. Electrical Engineering Department, College of Engineering. King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia. [2] Chapallaz, J. M., Ghali, J. D., Eichenberger, P.,
& Fischer, G. (1992). Manual on Induction
Motors Used as Generators. Braunschweig: Deutsches Zentrum fur Entwicklungs technologien.
[3] Isnaeni B.S, M. (2005). Makalah, Motor Induksi Sebagai Generator (MISG), Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada.
[4] Jenkins, Nick dan Ron Allan, Peter Crossley, David Kirschen, Goran Strbac. (2000). Embedded Generation. London: The Institution of Electrical Engineers.
