Pemodelan dan Analisis Dinamik Self Excited Induction Generator (SEIG) untuk Aplikasi Turbin Angin

Pemodelan dan Analisis Dinamik Self Excited Induction Generator (SEIG) untuk Aplikasi Turbin Angin

Jeffry Immanuel 2209 100 068

Dosen Pembimbing :

Dedet Candra Riawan, S.T., M.Eng., Ph.D

Ir. H. Sidaryanto, MT.

Latar Belakang

Energi fosil

Solusi

 Dipengaruhi oleh kecepatan dan beban

 Diperlukan pemodelan dan analisis dinamik SEIG

Batasan Masalah

 Verifikasi mesin induksi sebagai SEIG dan melakukan

pemodelan dinamik SEIG dengan memberikan beban resistif.

 Pemodelan dinamik SEIG menggunakan beberapa asumsi yaitu :

1. Efek temperatur, rugi inti, momen inersia dan histerisis pada magnetisasi induktansi diabaikan.

2. Magnetisasi dalam inti dan belitan mesin seimbang.

3. Mesin induksi yang digunakan memiliki celah udara

yang seragam.

Tujuan

Melakukan eksperimen dan pemodelan dinamik SEIG untuk

mengetahui perilaku dinamik SEIG akibat pengaruh kecepatan

dan pembebanan

Wind Turbine

𝑷 = 𝟎. 𝟓𝟓𝟓𝑪

_𝒑

𝑽

^𝟑

𝝀 = 𝝎𝝎 𝑽

Hubungan antara kecepatan rotor dengan kecepatan angin dapat ditulis dengan persamaan :

P = daya output wind turbine ρ = kerapatan udara

A = rotor swept area

C_p = koefisien karakteristik turbin V = kecepatan angin

λ = tip speed ratio R = jari-jari rotor

ω = kecepatan rotor dalam rad/sec V = kecepatan angin

Kurva karakteristik Wind Turbine

SEIG

Excitation Capacitor

Gearbox LOAD

Wind Turbine

Self Excited Induction Generator

Proses terbangkitnya tegangan :

 Harus terdapat sisa magnetisasi pada rotor

 Membutuhkan kapasitor eksternal untuk menyuplai kebutuhan daya reaktif

 Ketika prime mover diputar, sisa magnetisasi rotor akan menghasilkan tegangan kecil pada terminal stator

 Tegangan kecil ini akan menyebabkan mengalirnya arus kapasitif sehingga menghasilkan tegangan terbangkit

 Terjadi peningkatan tegangan terbangkit yang disebabkan bertambahnya arus kapasitif

 Proses ini berlangsung secara kontinyu sampai terdapat titik pertemuan kurva magnetisasi dengan garis linier kapasitor

V Cexc

Im

Vnl

Rating Mesin Induksi

Tipe EM 802-4

Nomor Seri 50062

kW/hp 0.75/1

Tegangan (∆ - Y) 220 V/380 V Arus (∆ - Y) 3.6 A/2.1 A

Frekuensi 50 Hz

Kecepatan 1380 rpm

jumlah pole 4

Penentuan nilai kapasitansi

V Cexc

Im

Vnl 𝑰_𝒄 = 𝑰_𝒎

𝑽

𝑿_𝒄 = 𝑽 𝑿_𝒎

𝑿_𝒎 = 𝑿_𝒄 = 𝟏 𝟐𝟐𝟐𝑪𝟐𝟐𝒄 𝑪𝟐𝟐𝒄 = 𝟏

𝟐𝟐𝟐𝑿_𝒎

Nilai kapasitansi minimum yang dibutuhkan adalah 16.9 μF per fasa.

Dalam tugas akhir ini, nilai kapasitor yang digunakan adalah 8 μF per fasa dengan konfigurasi wye pada generator dan konfigurasi delta pada

kapasitor eksternal atau setara dengan 24 μF per fasa dengan konfigurasi

wye pada generator dan konfigurasi wye pada kapasitor eksternal.

Parameter Mesin Induksi

Parameter Keterangan Nilai

Rs Resistansi stator 11.57 Ω

Rr Resistansi rotor 9.58 Ω

Lls Induktansi stator 48.53 mH

Llr Induktansi rotor 48.53 mH

V

_qr0

, V

_dr0

Tegangan inisial 5.19 volt

Lm Induktansi magnetisasi 814.34 mH

Pemodelan Dinamik SEIG

𝝎

_𝒓

= 𝑷

_𝒑

𝟐 𝝎

_𝒓𝒎

𝒓𝒓𝒓/𝒔

Rangkaian ekivalen SEIG kondisi tanpa beban pada q-axis

SEIG kondisi tanpa beban pada d-axis Representasi SEIG pada qd reference frame

Diabaikan

Analisis dilakukan pada stationary reference frame :

ω = 0

Saturasi Fluks :

Tegangan Kapasitor :

V_cq, V_cd : tegangan kapasitor dalam sumbu q-d I_cq=i_qs, i_cd=i_ds : arus kapasitor dalam sumbu q-d

V_cq0, V_cd0 : tegangan pre-charged dalam sumbu q-d C_exc : kapasitor eksitasi eksternal

𝑽_𝒄𝒎 = 𝟏

𝑪_𝟐𝟐𝒄 � 𝒊_𝒄𝒎𝒓𝒅 + 𝑽_𝒄𝒎𝟎

𝑽_𝒄𝒓 = 𝟏

𝑪_𝟐𝟐𝒄 � 𝒊_𝒄𝒓𝒓𝒅 + 𝑽_𝒄𝒓𝟎

Persamaan Tegangan Stator dan Rotor SEIG

𝝏𝒊_𝒎𝒔 = 𝟏

𝑳_𝒎^𝟐 − 𝑳_𝒓𝑳_𝒔 𝑳_𝒓𝒓_𝒔𝒊_𝒎𝒔 + 𝑳_𝒎^𝟐 𝝎_𝒓𝒊_𝒓𝒔 − 𝑳_𝒎𝒓_𝒓𝒊_𝒎𝒓 + 𝑳_𝒎𝑳_𝒓𝝎_𝒓𝒊_𝒓𝒓 + 𝑳_𝒓𝑽_𝒄𝒎 + 𝑳_𝒎𝑽_𝒎𝒓𝟎

𝝏𝒊_𝒓𝒔 = 𝟏

𝑳_𝒎^𝟐 − 𝑳_𝒓𝑳_𝒔 −𝑳_𝒎^𝟐 𝝎_𝒓𝒊_𝒎𝒔 + 𝑳_𝒓𝒓_𝒔𝒊_𝒓𝒔 − 𝑳_𝒎𝑳_𝒓𝝎_𝒓𝒊_𝒎𝒓 − 𝑳_𝒎𝒓_𝒓𝒊_𝒓𝒓 + 𝑳_𝒓𝑽_𝒄𝒓 − 𝑳_𝒎𝑽_𝒓𝒓𝟎 𝟏

𝟎 =

𝑳_𝒔 𝟎 𝑳_𝒎 𝟎 𝟎 𝑳_𝒔 𝟎 𝑳_𝒎 𝑳_𝒎

𝟎 𝟎

𝑳_𝒎 𝑳_𝒓 𝟎 𝟎 𝑳_𝒓

𝒓𝒊_𝒎𝒔 𝒓𝒊_𝒓𝒔 𝒓𝒊_𝒎𝒓 𝒓𝒊_𝒓𝒓

+

𝒓_𝒔 𝟎 𝟎 𝟎

𝟎 𝒓_𝒔 𝟎 𝟎

𝝎_𝒓𝟎𝑳_𝒎 −𝝎_𝒓𝑳_𝒎

𝟎 𝒓_𝒓 − 𝝎_𝒓𝑳_𝒓 𝝎_𝒓𝑳_𝒓 𝒓_𝒓

𝒊_𝒎𝒔 𝒊_𝒓𝒔 𝒊_𝒎𝒓 𝒊_𝒓𝒓

+

−𝑽_𝒎𝒔

−𝑽_𝒓𝒔

−𝑽_𝒎𝒓𝟎 𝑽_𝒓𝒓𝟎

≈

Simulasi dan Eksperimen SEIG

Start-up SEIG dengan kondisi tanpa beban

Respon transien SEIG

(perubahan kecepatan, pembebanan)

Voltage collapse SEIG

(perubahan kecepatan, pembebanan)

I.

II.

III.

Start-up SEIG dengan kecepatan rotor 1500 rpm

Simulasi

429.21 volt rms

Eksperimen

1.8 ampere rms

Hasil eksperimen SEIG kondisi tanpa beban dengan variasi kecepatan rotor

Kecepatan (nr) Tegangan (V^LL) Arus Stator (Is) Frekuensi (Hz)

1500 400 1.75 49.02

1450 380 1.6 47.62

1400 360 1.45 45.87

1350 350 1.3 44.25

1320 320 1.25 43.48

1300 330 1.15 42.74

1250 300 1 41.32

1200 260 0.9 39.68

1150 230 0.7 38.17

1100 150 0.45 36.5

1050 0 0 0

Respon transien ketika terjadi perubahan kecepatan rotor (1500 rpm – 1320 rpm)

Simulasi

357.1 volt rms

Eksperimen

1.33 ampere rms 429.21 volt rms

320 volt rms 1.25 ampere rms

Simulasi

Respon transien ketika diberi beban resistif (noload - 540 watt)

Pout

374.8 volt rms

429.21 volt rms

1.71 ampere rms

530 watt

Eksperimen

Respon transien ketika diberi beban resistif (noload – 540 watt)

400 volt rms

1.75 ampere rms

320 volt rms

1.45 ampere rms

Voltage collapse akibat fluktuasi kecepatan (1200 rpm – 900 rpm)

Simulasi Eksperimen

Voltage collapse

Voltage collapse

279.31 volt rms

0.95 ampere rms

260 volt rms 0.9 ampere rms

Voltage collapse akibat fluktuasi kecepatan (1200 rpm – 900 rpm – 1500 rpm)

Simulasi

Voltage collapse

279.31 volt rms

429.21 volt rms 0.95 ampere rms

1.8 ampere rms

Voltage

regenerated

Voltage collapse akibat fluktuasi kecepatan (900 rpm – 1500 rpm)

Eksperimen

400 volt rms

1.75 ampere rms

Voltage regenerated

Simulasi Eksperimen

Voltage collapse akibat penambahan beban

251 volt rms

0.86 ampere rms

Hasil eksperimen SEIG dengan pembebanan

n

^r

Beban V

^LL

Is fs (Hz) Pout

1500 0 400 1.75 49.02 7

1500 120 395 1.6 48.08 38

1500 180 395 1.58 47.62 56

1500 300 380 1.5 47.17 87

1500 360 370 1.5 47.17 105

1500 480 350 1.48 46.73 130

1500 540 320 1.45 46.3 135

1500 660 300 1.4 45.37 160

1200 0 260 0.9 39.68 2

1200 120 220 0.78 39.06 35

1200 180 200 0.7 38.76 55

1200 300 0 0 0 0

Self Excited Induction Generator

Kapasitor

Generator Induksi Sumber

tiga fasa

Oscilloscope

Eksperimen SEIG

Kesimpulan

1. Perubahan kecepatan dan beban berpengaruh pada tegangan, arus stator, frekuensi dan daya output SEIG.

2. Voltage collapse pada SEIG disebabkan oleh kecepatan putar yang rendah dan juga akibat pembebanan yang berlebih.

3. Terdapat perbedaan perilaku antara voltage collapse akibat perubahan kecepatan dengan pembebanan. Untuk voltage collapse akibat perubahan

kecepatan, tegangan akan kembali terbangkit ketika kecepatan naik sedangkan voltage collapse akibat pembebanan tegangan tidak dapat dibangkitkan

kembali meskipun beban dilepas dari SEIG.

4. Pemodelan dinamik SEIG dapat merepresentasikan perilaku dinamik dari SEIG.

Hal ini dapat diverifikasi dengan hasil eksperimen yang diperoleh dan membandingkannya dengan hasil simulasi. Kecuali untuk voltage collapse