64
ANALISA KELAYAKAN PENGGUNAAN MOTOR INDUKSI SLIP RING 3 FASA
1500 W SEBAGAI GENERATOR 3 FASA
Rachmat Sutjipto 1, Sigi Syah Wibowo, Dhimas Dhesah Kharisma 3
1,2,3 Program Studi Teknik Listrik, Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang
1 mamat101963@gmail.com,2 sigi.wibowo@gmail.com,3 dhimasdk@gmail.com
Abstrak
Dalam operasi generator induksi SEIG dapat timbul permasalahan pada kinerja dari generator jika terjadi kesalahan dalam penentuan besarnya kapasitor yang dipakai pada generator SEIG tersebut. Maka dari itu dalam penelitian ini diuji kelayakan dari motor induksi slip ring sebagai generator induksi 3 fasa tapi tidak menggunakan kapasitor sebagai alat bantu eksitasi. Motor slip ring 3 fasa digunakan sebagai generator induksi dalam penelitian ini karena konstruksinya mirip dengan generator sinkron 3 fasa. Untuk mengetahui kelayakan kinerjanya maka generator induksi tersebut diuji dengan 4 jenis percobaan yaitu pengujian DC Test,
open circuit, short circuit dan load test, untuk kemudian dibandingkan dengan kinerja generator sinkron 3 fasa. Setelah semua pengujian dilaksanakan diketahui dari percobaan open circuit bahwa kedua generator mempunyai karakteristik yang hampir sama tetapi menghasilkan tegangan output yang berbeda dengan arus eksitasi yang sama. Pada percobaan short circuit saat arus eksitasinya sama, juga didapatkan arus jangkar yang berbeda. Pada pengujian semua jenis pembebanan diketahui bahwa karakteristik V = f(Ia) dari kedua generator hampir sama, meskipun tegangan outputnya berbeda pada beban (Ia) yang sama karena generator induksi mempunyai regulasi tegangan yang lebih besar dibandingkan generator sinkron. Dari semua analisa di atas maka diketahui bahwa motor slip ring yang difungsikan sebagai generator layak digunakan sebagai generator yang menghasilkan daya listrik 3 fasa.
Kata kunci : Motor Induksi Slip Ring, generator induksi, generator sinkron I. PENDAHULUAN
Pada pembangkit skala kecil seperti PLTB dan PLTMH biasanya menggunakan motor induksi sangkar atau slip ring 3 fasa dan menggunakan bantuan kapasitor untuk difungsikan sebagai Self Excited Induction Generator (SEIG). Kinerja dari generator ini tergantung dari besar dan jenis hubungan kapasitor, yang berfungsi sebagai alat bantu eksitasi sehingga akan juga berpengaruh pada tegangan output generator (R Sutjipto:2014)
Pada penelitian ini dianalisa kelayakan Motor Slip Ring 3 fasa yang difungsikan seperti generator sinkron tanpa harus menambahkan kapasitor sebagai pengganti generator SEIG. Motor induksi Slip Ring (1500 W, 220/380 V, 7/4 A, Sek 230V/3,3A) dipergunakan dalam penelitian ini karena konstruksi motor tersebut mirip dengan mesin sinkron. Untuk menilai kelayakan kinerja maka motor induksi Slip Ring diuji seperti generator sinkron yaitu belitan rotor dari motor Slip Ring disuplai dengan sumber DC untuk kemudian diputar dengan
prime mover pada kecepatan sinkron (1500 rpm) dari motor induksi tersebut. Pada penelitian ini, belitan rotor yang digunakan sebanyak 2 buah dan terhubung seri dan tetapi bisa juga digunakan semua tiga belitan yang ada dimana 2 belitan terhubung parallel untuk kemudian diseri dengan belitan lainnya.(Ayman Y. Al-Rawashdeh, 2019:4072)
Setelah motor induksi tersebut berubah menjadi generator 3 fasa maka dilaksanakan beberapa test kelayakan seperti sebuah generator sinkron antara lain DC test, percobaan open circuit,
percobaan short circuit dan percobaan pembebanan generator dengan menggunakan 3 (tiga) jenis beban yang berbeda antara lain beban resistif, beban induktif dan beban kapasitif sehingga didapatkan beberapa karakteristik kerja dari sebuah generator. Untuk melihat kelayakan dari penggunaan motor induksi Slip Ring sebagai generator induksi maka perlu dibandingkan dengan generator sinkron 3 fasa pada ketiga jenis karakteristik yang sama sehingga bisa diketahui seberapa jauh kemampuan motor induksi slip ring berfungsi sebagai generator 3 fasa.
II. METODEPENELITIAN
Pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan di Lab. Mesin Listrik Politeknik Negeri Malang dan langkah-langkah penelitian seperti pada diagram alir sebagai berikut:
65 Gambar 2.1. Flow Chart Penelitian
2.1 Rangkaian Pengujian
Gambar 2.2 Rangkaian Pengujian Motor Slip Ring Sebagai Generator Induksi 3 Fasa
Gambar 2.3 Rangkaian Pengujian Generator Sinkron
Gambar 2.4 Rangkaian Percobaan DC Test
Gambar 2.2 dan gambar 2.3 merupakan gambar rangkaian umum yang dipakai untuk menguji kedua jenis generator dengan 3 jenis percobaan yaitu : open circuit test, short circuit test dan load test. Semua percobaan dilaksanakan dengan kecepatan 1500 rpm agar frekuensinya sama untuk semua percobaan yaitu 50 Hz. Pada percobaan open circuit dan short circuit
divariasikan arus eksitasinya untuk dianalisa pengaruhnya pada tegangan output pada open circuit dan arus jangkar pada short circuit. Sedangkan pada percobaan load test, kecepatan dan arus eksitasi dibuat konstan saat beban divariasikan untuk melihat pengaruh beban pada arus jangkar dan tegangan output.
Gambar 2.4 adalah rangkaian percobaan untuk mendapatkan tahanan dalam dari belitan stator dan rotor dengan menggunakan pengujian DC Test yang menggunakan suplai DC dan 2 alat ukur ampere meter dan volt meter.
III HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1.Proses Pembangkitan Tegangan Output Pada Motor Slipring Sebagai Generator
Seperti generator pada umumnya, saat motor slip ring 3 fasa difungsikan sebagai generator (untuk selanjutnya disebut dengan generator induksi) maka akan timbul tegangan output di belitan stator dari motor slip ring tersebut. Proses pembangkitan tegangan listrik terjadi karena kumparan rotor dari generator induksi dihubungkan dengan sumber arus searah dan diputar dengan prime mover yang sudah terkopel dengan rotor tersebut.
66
Medan dari rotor yang diputar oleh prime mover, akan diinduksikan pada kumparan stator dari generator induksi sehingga pada kumparan stator tersebut akan timbul tegangan induksi sesuai dengan persamaan : (Chapman,2012:197)
e = c.n f (1) Keterangan :
e : GGL induksi n : kecepatan rotor f : fluksi rotor
3.2.Analisa Pengujian Tanpa Beban (Open Circuit) dari Generator Induksi
Pada pengujian ini, motor slip ring diputar sebesar 1500 rpm dengan menggunakan prime mover dan kemudian pada belitan rotornya disuplai dengan arus DC yang bervariasi untuk kemudian dilihat perubahan tegangan outputnya.
TABEL 3.1. HASIL PENGUJIAN TANPA BEBAN UNTUK GENERATOR INDUKSI & GENERATOR SINKRON
TABEL 3.2 HASIL PENGUJIAN DENGAN ARUS EKSITASI KONSTAN DAN KECEPATAN PRIMEMOVER BERVARIASI
Pada tabel 3.1 dan gambar grafik 3.1 dapat diketahui bahwa saat pengujian generator induksi dan dalam kondisi tanpa beban maka besarnya tegangan akan naik sebanding dengan kenaikan arus eksitasi (If). Semakin besar arus eksitasi akan mengakibatkan semakin besarnya tegangan output dari generator. Hal ini sesuai dengan (1); dan jika arus eksitasi dinaikkan secara berlebih menyebabkan tegangan tidak mampu
lagi untuk naik besarnya dan harganya akan cenderung konstan karena rotor tidak mampu lagi menghasilkan fluksi (saturasi)
Gambar 3.1 Grafik Pengujian Tanpa Beban ( Open Circuit ) Generator Induksi V = f(If)
Gambar 3.2 Grafik Pengujian Tanpa Beban (Open Circuit ) Generator InduksiVout = f ( n )
Dari data tabel 3.1 juga dapat diketahui bahwa di dalam generator induksi masih terdapat sisa magnet (remanensi magnet) karena saat arus eksitasi (If) = 0 A dan sesuai dengan rumus (1) maka tegangan output dari generator induksi ternyata sama dengan 1 (satu) volt. Hal ini membuktikan bahwa ada sisa / remanensi akibat sifat kemagnetan dari inti besi.
Dari tabel data 3.2 & gambar grafik 3.2 dapat diketahui bahwa besarnya tegangan output akan sebanding dengan besarnya kecepatan motor yang dihasilkan oleh generator induksi. Sesuai dengan rumus (1) maka semakin besar kecepatan dari prime mover maka tegangan output dari generator induksi akan juga semakin besar. Kenaikan tegangan output ini akan tetap berlangsung selama kecepatan prime mover tetap dinaikkan sampai batas tertentu dimana tegangan output tidak mampu naik lagi. Besarnya kecepatan generator induksi juga akan berpengaruh pada frekuensi yang dihasilkan sesuai dengan rumus : (Theraja, 2005:1406)
(2) Keterangan :
f : Frekuensi (Hz)
67
p : Jumlah Kutub Magnet (4 kutub)
Dari rumus (1) dan (2) di atas, dapat diketahui bahwa salah satu faktor yang menentukan besarnya tegangan output & frekuensi output dari generator induksi adalah besarnya kecepatan dari generator induksi
3.2.1. Analisa Perbandingan Hasil Pengujian Tanpa Beban
(Open Circuit) dari Generator Induksi 3 Fasa dengan
Generator Sinkron 3 Fasa
Perbandingan kurva karakteristik tanpa beban generator sinkron dengan kurva tanpa beban generator sinkron dapat dilihat pada gambar grafik di bawah ini.
Gambar 3.3 Kurva Perbandingan Generator Sinkron dan Generator Induksi Saat Tanpa Beban
Pada gambar 3.3 dapat diketahui bahwa karakteristik tanpa beban dari kedua generator mempunyai karakteristik yang hampir sama yaitu jika arus eksitasi dinaikkan dan kecepatan yang konstan (1500 rpm) maka tegangan output juga akan naik dan diketahui pula bahwa generator sinkron mampu menghasilkan tegangan output yang lebih besar daripada generator induksi pada arus eksitasi yang sama (1 A).
3.3.Analisa Pengujian Hubung Singkat (Short Circuit) dari Generator Induksi
Tujuan dari pengujian hubung singkat ini menganalisa hubungan antara arus jangkar dengan arus eksitasi dari generator.
Dari data tabel 3.3 dan grafik pada gambar 3.4 dapat diketahui bahwa besarnya arus jangkar Ia sebanding / proporsional dengan kenaikan arus eksitasi If. Semakin besar arus eksitasi maka semakin besar pula arus Ia. Untuk memperjelas analisa di atas maka digunakan gambar 3.5, pada gambar tersebut diketahui bahwa sisi terminal output dari generator induksi dihubungsingkatkan maka semakin besar tegangan induksi (Ea) yang dihasilkan oleh generator induksi akan mengakibatkan arus jangkar (Ia) akan semakin besar pula karena yang membatasi besarnya arus Ia hanyalah impedansi sinkron dari generator induksi ( Zs = Ra + jXs).
TABEL 3.3 HASIL PENGUJIAN HUBUNG SINGKAT UNTUK GENERATOR INDUKSI 3 FASA DAN GENERATOR SINKRON 3 FASA
Gambar 3.4 Grafik Hasil Pengujian Hubung Singkat Short Circuit Generator Induksi (Ia= f(If))
Gambar 3.5 Rangkaian Ekuivalen Generator Hubung Singkat
Besarnya arus Ia dapat ditentukan dengan perumusan sebagai berikut : (Chapman, 2012: 209)
(3) Keterangan :
Ia : arus jangkar (A) Ra = tahanan stator (Ω) Ea : tegangan induksi (V) Xs = reaktansi sinkron (Ω)
Dari rumus(3) di atas diketahui bahwa nilai arus jangkar yang juga disebut dengan arus hubung singkat (Isc) akan dipengaruhi juga oleh nilai dari impedansi sinkron (Zs =Ra + jXs) dan besarnya impedansi sinkron ditentukan dari data 3 percobaan yaitu :
68
1. Pengukuran tahanan rotor & stator generator induksi untuk penentuan dari Ra dengan metode DC test.
TABEL 3.5 PENGUKURAN TAHANAN GENERATOR INDUKSI (DC TEST)
2. Menggunakan data dan gabungan grafik pengujian Open Circuit dan Short Circuit untuk penentuan dari reaktansi sinkron (Xs) seperti terlihat pada gambar 3.9.
Gambar 3.6 Penentuan Parameter Perhitungan Xs
Untuk penentuan dari besarnya impedansi sinkron dari generator induksi, maka dilaksanakan langkah-langkah penentuan sebagai berikut :
1. Dari gambar 3.6 dan dari data percobaan Open Circuit diketahui bahwa untuk mencapai tegangan nominal line-line (VL-L) sebesar 220 V (VL-N : 127 V) maka besarnya arus eksitasi yg dibutuhkan adalah sebesar 1,83A.
2. Dari gambar 3.6 juga akan diketahui bahwa pada saat arus eksitasi (If) sebesar 1,83 A maka dalam kondisi generator induksi di hubung singkatkan maka arus jangkar (Iko) akan mencapai 1,25 A
Dari ketetrangan di atas maka besarnya nilai impedansi sinkron Zs dan reaktansi sinkron Xs per fasa dapat dihitung dengan menggunakan perumusan berikut ini : (Chapman, 2012:210)
Xs (4) Keterangan:
U : V beban nol pada arus medan tertentu (Volt)
Iko : I hubung singkat pada arus medan yg sama saat saturasi (A) Xs : Reaktansi sinkron (ohm)
Jika semua data dimasukkan pada rumus (4) di atas maka dapat ditentukan besarnya Xs yaitu sebesar 101,6 W. Dengan
cara yang sama maka ditentukan impedansi sinkron dari generator sinkron seperti terlihat pada tabel 3.6.
TABEL 3.6 IMPEDANSI SINKRON DARI KEDUA GENERATOR
No. Parameter Generator Sinkron Generator Induksi
1. Ra 2 2,2
2. Xs 33,4 101,6
3.3.1 Perbandingan Generator Sinkron dan Generator Induksi pada Pengujian Hubung Singkat
Dari tabel 3.4 dapat digambarkan grafik perbandingan karakteristik hubung singkat pada 2 generator seperti terlihat pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Grafik Perbandingan Generator Sinkron Dan Generator Induksi Saat Pengujian Hubung Singkat
Dari gambar 3.7 dapat diketahui bahwa generator sinkron mempunyai karakteristik yang sama dengan generator induksi saat pengujian hubung singkat. Perbedaannya adalah pada arus eksitasi yang sama ternyata generator sinkron menghasilkan arus jangkar (Ia) yang lebih besar dibandingkan generator induksi yaitu saat kedua generator diberi arus eksitasi yang sama (1,4 A) maka arus jangkar Ia pada generator sinkron mencapai 7 A, sedangkan pada generator induksi mencapai arus jangkar Ia sebesar 1A. Hal ini dikarenakan generator sinkron mempunyai impedansi yang relatif lebih kecil dibandingkan generator induksi seperti terlihat pada tabel 3.6.
3.4. Analisa Hasil Pengujian Motor Slipring yang Difungsikan Sebagai Generator Berbeban
Pada pengujian berbeban ini, generator induksi dibebani dengan tiga jenis beban yaitu beban resitif, beban induktif dan beban kapasitif. Pada pengujian ini, kecepatan generator dan arus eksitasi diatur tetap 1500 rpm dan 1,83 A.
3.4.1. Analisa Pembebanan pada Generator Induksi
Dari pengujian yang telah didapatkan table data & grafik karakteristik dari pengujian pembebanan untuk 3 jenis beban yang berbeda.
69
Dari semua tabel data di atas dan grafik pada gambar 4.11 dapat diketahui bahwa besar beban akan berpengaruh pada besarnya arus jangkar (Ia) dan besarnya tegangan output dari generator. Semakin besar beban maka kebutuhan daya beban akan semakin besar sehingga arus Ia akan semakin besar pula
TABEL 3.8 HASIL PENGUJIAN BEBAN RESITIF, INDUKTIF & KAPASITIF GENERATOR INDUKSI
N = 1500 rpm ; If = 1,83 A
Gambar 3.8 Grafik Karakteristik Pembebanan Generator Induksi untuk Tiga Jenis Beban
.Selain itu dengan naiknya beban akan mengakibatkan tegangan output dari generator akan turun pada beban resistif dan induktif sedangkan pada beban kapasitif, kenaikan besar beban akan mengakibatkan naiknya tegangan output dari generator induksi. Jika dibandingkan antara beban induktif dan resistif, maka diketahui bahwa pada beban induktif akan mengalami penurunan tegangan yang lebih besar dibandingkan beban resistif, hal ini dikarenakan pada beban induktif terdapat pengaruh faktor daya induktif yang akan memperburuk tegangan output generator dan juga akan membuat regulasi tegangan akan semakin besar.
Untuk beban kapasitif, semakin besar bebannya maka tegangan outputnya akan semakin besar pula. Hal ini bisa dijelaskan dengan diagram phasor pada gambar 3.9. Dari gambar phasor tersebut dapat diketahui bahwa jika beban dari generator berubah maka besarnya Ia akan berubah. Perubahan besar Ia tidak hanya merubah besarnya Ia saja tapi juga akan merubah besarnya sudut antara V out dengan Ia sehingga akan
merubah besarnya tegangan output V out dari generator induksi. Jadi jika harga beban kapasitif semakin besar maka arus Ia akan semakin besar dan harga V out akan semakin besar pula.
Gambar 3.9 Diagram Fasor Beban Kapasitif
3.4.2. Perbandingan Karakteristik Pembebanan Generator Sinkron dan Generator Induksi pada Pengujian Pembebanan (Load Test)
TABEL 3.9 HASIL PENGUJIAN BEBAN RESITIF, INDUKTIF DAN KAPASITIF GENERATOR SINKRON
N = 1500 rpm; If = 0,75 A
Gambar 3.10 Grafik Perbandingan Karakteristik Pembebanan Generator Induksi dan Generator Sinkron untuk Tiga Jenis Beban
Dari gambar 3.10 dapat diketahui bahwa pada seluruh beban generator sinkron ternyata mempunyai tegangan yg lebih tinggi dibandingkan dengan saat pada generator induksi pada jenis beban yang sama. Hal ini dikarenakan adanya perbedaan impedansi dari kedua generator tersebut, jika harga dari impedansi tinggi maka rugi tegangan dari generator akan lebih besar sehingga semakin kecil tegangan outputnya, sesuai dengan perumusan (5) sebagai berikut : (Chapman, 2012:210)
70
V out = Ea – Ia ( Ra + jXs) (5)
3.4 Analisa Perbandingan Regulasi Tegangan Generator Sinkron dengan Generator Induksi
Besarnya regulasi tegangan dapat dihitung dengan dengan menggunakan (6) sebagai berikut : (Yon Rijono, 1997:231)
% VR = x 100 % (6) Perhitungan regulasi tegangan generator sinkron dan generator induksi untuk seluruh data tegangan terminal yang lain dapat dilakukan seperti menggunakan (6) dan hasil perhitungannya terdapat pada tabel 3.8 dan tabel 3.9.
Berdasarkan tabel 3.8 dan 3.9 dapat diketahui regulasi tegangan pada semua pengujian semua beban pada generator induksi bernilai lebih besar daripada regulasi tegangan generator sinkron. Hal ini disebabkan oleh besarnya nilai impedansi sinkron dari generator induksi yang lebih besar dari impedansi sinkron dari generator sinkron sehingga menimbulkan rugi tegangan yang lebih besar dan akan memperkecil besarnya tegangan keluaran generator
IV KESIMPULAN
Dari pembahasan di atas maka dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut :
1. Motor slip ring 3 fasa layak digunakan sebagai generator induksi karena secara umum karakteristiknya seperti karakteristik generator sinkron 3 fasa.
2. Dari hasil pengujian open circuit diketahui bahwa besarnya tegangan hasik pembangkitan akan dipengaruhi oleh besarnya arus eksitasi dan kecepatan generator sinkron.
3. Dari hasil dari pengujian open circuit dan pengujian short circuit pada kedua generator, diketahui bahwa dengan merubah besarnya arus eksitasi pada generator maka tidak hanya berubah tegangan output dari generator maka juga akan berubah pula arus jangkar (Ia) dari generator sehingga daya yang disalurkan dari generator ke beban akan semakin meningkat pula. 4. Secara umum generator sinkron mempunyai regulasi
tegangan yang lebih baik dibandingkan dikarenakan generator induksi mempunyai impedansi sinkron yang lebih besar.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Stephen J. Chapman, “Electric Machinery Fundamental”, 5th ed, Singapore : McGraw-Hill Book Co, 2012, pp 197-210
[2] B.L Theraja, A.K Theraja,”A Textbook of Electrical Technology”, vol 2, 1st Multicolour Edition, New Delhi:S Chand Co. Ltd, 2005, pp1406-1431
[3] Yon Rijono,”Dasar Teknik Tenaga Listrik”, Yogyakarta : Andi Offset, 1997, pp 231
[4] Ayman Y. Al-Rawashdeh, “Investigation of an Induction Wound Rotor Motor to Work as a Synchronous Generator”, Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol. 9, No. 2, 2019, 4071-4074
[5] Srikanth B.S1 , Associate Prof. Anguraja R2 , Pooja Rani Khatei, “Experimental Investigation on an Induction Motor to Work as an Alternator”, Vol 4, Issue 5, 2013, pp 129-132
[6] Shewit Tsegaye, Kinde A. Fante, “Analysis of Synchronous Machine Excitation Systems: Comparative Study”, International Scholarly and Scientific Research & Innovation, Vol:10, No:12, 2016, pp 1492-1495
[7] R Sutjipto, H Mukti K, AD Novfowan, “Kajian Pengaruh Penggunaan Kapasitor Terhadap Tegangan Output Pada SEIG (Self Excited Induction Generator)”; Jurnal Teknik Ilmu & Aplikasi, Vol 1 No 2, 2014
