PENGOPERASIAN MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR UNTUK PEMBANGKITAN LISTRIK TENAGA MIKRO HYDRO (PLTMH)

Pengoperasian Motor Induksi Sebagai Generator untuk Pembangkit……….…….…..Mahalla

84

PENGOPERASIAN MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR UNTUK

PEMBANGKITAN LISTRIK TENAGA MIKRO HYDRO (PLTMH)

Mahalla1 1

Dosen Jurusan Teknik Elektro Politenik Negeri Lhokseumawe Email:

ABSTRAK

Penggunaan motor induksi sebagai generator tak sinkron (IMAG) pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh) telah banyak dioperasikan untuk kapasitas kecil, yaitu dibawah 100 Kw. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kinerja IMAG pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMh). Pertimbangan menggunaan IMAG adalah karena kemampuannya untuk menghasilkan listrik dari variabel kecepatan serta kecepatan konstan penggerak mula, biaya yang murah, perawatan yang mudah, tidak memerlukan sumber dc untuk eksitasi, perbaikan kinerja karena impedansi transient yang rendah, perlindungan alami terhadap hubung singkat, banyak terdapat dipasaran. Evaluasi kinerja dari IMAG pada sistem PLTMh perlu dilakukan, yaitu analisis stabilitas tegangan dan frekuensi dan analisis beban harian. Berdasarkan analisis sistem secara umum, effisiensi total IMAG adalah 47,38 % dan posisi ruang turbin dan IMAG masih jauh dari area banjir, sehingga tinggi jatuh (head) dapat ditingkatkan 1 meter menjadi 2,21 meter, hal ini dapat meningkatkan daya potensial dan daya terbangkit sebesar 82,56 % Berdasarkan analisa beban harian, perubahan beban utama mempengaruhi perubahan tegangan dan frekuensi output dari IMAG, hal ini disebabkan karena pengontrol beban yang ada sekarang tidak bisa bekerja dengan baik untuk mengalihkan perubahan beban utama ke beban semu (ballast load). Salah satu metode yang bisa dilakukan untuk mengontrol tegangan dan frekuensi, adalah dengan mengatur beban (dummy load).

Kata kunci: PLTMh, generator asinkron, kestabilan, tegangan, frekuensi I. PENDAHULUAN

Energi air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang sudah dikembangkan menjadi energi listrik. Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh) cocok diterapkan di daerah terpencil karena selain ekonomis, teknologi PLTMh juga ramah lingkungan bila dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD). Untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMh) dengan skala kecil, penggunaan generator induksi sangat tepat karena harga unitnya murah, konstuksinya kuat dan sederhana, mudah dalam pengoperasiannya dan memerlukan sedikit perawatan.

Di sisi lain penggunaan generator induksi sebagai pembangkit listrik dapat mengakibatkan resiko terhadap kestabilan sistem pembangkit, khususnya kestabilan tegangan dan frekwensi. Hal ini sesuai dengan karakteristik dari generator induksi dimana apabila terjadi perubahan beban dan putaran maka akan diikuti oleh perubahan tegangan dan frekwensi, sehingga sistem pembangkit dikatakan tidak stabil.

II. TINJAUAN PUSTAKA

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh)

Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian

tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangan beda ketingglan daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head.

Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan clan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri, dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihaslikan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses Mikrohidro merubah energi aliran dan ketinggian air menjadt energi listrik [6].

Terdapat sebuah peningkatan kebutuhan suplai daya ke daerah-daerah pedesaan di sejumlah negara, sebagian untuk mendukung industri-industri, dan sebagian untuk menyediakan penerangan di malam hari. Kemampuan pemerintah yang terhalang

85

oleh biaya yang tinggi dari perluasan jaringan listrik, sering membuat Mikro Hidro memberikan sebuah alternatif ekonomi ke dalam jaringan. Ini karena Skema Mikro Hidro yang mandiri menghemat biaya dari jaringan transmisi, dan karena skema perluasan jaringan sering memerlukan biaya peralatan dan pegawai yang mahal. Dalam kontrak, Skema Mikrohidro dapat didisain dan dibangun oleh pegawai lokal dan organisasi yang lebih kecil dengan mengikuti peraturan yang lebih longgar dan menggunakan teknologi lokal seperti untuk pekerjaan irigasi tradisional atau mesin-mesin buatan lokal. Pendekatan ini dikenal sebagai Pendekatan Lokal. Gambar 1, menunjukkan betapa ada perbedaan yang berarti antara biaya pembuatan dengan listrik yang dihasilkan.

Gambar 1 Skala Ekonomi dari Mikro-Hidro[6]

IMAG (Induction Motor as Asynchrounous Generator)

IMAG adalah motor induksi yang bekerja sebagai generator asinkron. 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. Namun pada pembangkit terbarukan dengan kapasitas yang kecil kebanyakan menggunakan IMAG atau generator induksi. Alasan mengapa digunakan generator induksi adalah 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 [3], [4].

Generator induksi atau generator asinkron sering digunakan untuk mencukupi suplai daya tambahan untuk beban di daerah terpencil dimana layanan saluran transmisinya terbatas. Dengan segala keunggulan yang disebutkan diatas adalah pilihan yang tepat untuk menggunakan generator asinkron. Penggunaan generator induksi pada system PLTMh dimana kincir air 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.

Pada saat generator induksi dioperasikan, 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, generator induksi 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, atau berdiri sendiri 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,sehingga distator 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 dicelah udara,sehingga tegangan distator menjadi E2. Tegangan E2 akan mengakibatkan mengalir arus kekapasitor sebesar I2 yang menyebabkan fluksi bertambah dan tegangan yang dibangkitkan juga akan meningkat. Proses ini terjadi sampai mencapai titik keseimbangan E=Vc, seperti pada gambar dibawah ini [2].

Gambar 0 Proses pembangkitan Tegangan[2] Kapasitas kapasitor yang dipasang sangat menentukan terbangkitnya tegangan atau tidak. Untuk terbangkitnya tegangan generator induksi kapasitas kapasitor yang dipasang harus lebih besar dari kapasitas kapasitor minimum yang diperlukan untuk proses eksitasi. Jika kapasitas kapasitor yang dipasang lebih kecil dari kapasitas kapasitor minimum yang diperlukan, maka tegangan pembangkitan tidak akan berhasil. Besarnya nilai kapasitor dapat dihitung dengan persamaan 1 dibawah ini [1],[5]:

Jurnal Litek (ISSN: 1693-8097) Volume 10 Nomor 2, September 2013: hal. 84-88

86

C = Q / 2πf. ……….(1) (2.1) dengan: V= tegangan, (volt), f = frekuensi, (Hz)

Q= daya reaktif yang dikompensasi Karena generator induksi dapat melakukan

eksitasi sendiri maka generator tersebut dinamakan generator induksi penguatan sendiri. Mesin induksi yang beroperasi sebagai generator ini bekerja dengan slip yang lebih kecil dari nol (s<0), atau negatif. Kalau slip positif maka akan bekerja sebagai motor, sedangkan kondisi pengereman slip sama dengan 1. Besarnya slip dinyatakan dengan persamaan 2 dibawah ini: s r s

n

n

n

s





………(2) (2.2) dengan: s : Slip

nS : kecepatan medan putar, rpm

nR : kecepatan putar rotor, rpm

p

f

n

_s



120

(2.3)

dengan:

f : frekuensi sumber daya, Hz p : jumlah kutub.

Kurva karakteristik mesin induksi adalah seperti gambau dibawah ini:

Gambar 3 Kurva karakteristik mesin iduksi [1] Perbandingan keuntungan dan kerugian dari generator asinkron dapat dipergunakan sebagai bahan pertimbangan dalam pemilihan jenis generator yang digunakan pada suatu PLTMH, keuntungan dan kerugian dari generator asinkron adalah [6]:

Keuntungan:

 Mudah dipasang di semua jenis pembangkit listrik

 Biayanya rendah (dibandingkan generator sinkron lainnya dengan nilai pembangkit listrik yang sama)

 Rangkaiannya sederhana dan kuat  Tidak memerlukan eksitasi DC

 Tidak memerlukan sinkronisasi saat dipasang ke jaringan

 Sedikit perawatan (tidak perlu kontak geser listrik)

 Memiliki proteksi (jika terdapat korsleting tau kelebihan beban, secara otomatis menghentikan eksitasi)

 Penggunaannya mudah Kerugian:

 Memerlukan energi magnetis luar, memerlukan peralatan tambahan untuk bekerja di listrik pedesaan.

 Kurang efisien, di bawah daya nominal

 Massa putaran yang rendah-inersia kurang, lebih berisiko untuk melebihi kecepatan normal  Sifat pembangkit yang sensitif pada beban

(diperlukan pengontrol elektronik tambahan jika beban tidak konstan).

 Kehilangan magnetisme residual saat mengalami hubung singkat atau kelebihan beban ( tidak dapat menyala dengan sendirinya).

III. METODE PENELITIAN

Objek penelitian ini adalah sistem Pembangkit listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh). Penelitian yang dilakukan pada PLTMh ini mencakup tentang kinerja sistem PLTMh, dalam hal ini adalah kinerja dari IMAG atau generator induksi yang merupakan generator yang digunakan sebagai PLTMh. Penelitian ini untuk mengetahui kinerja generator induksi yang digunakan pada PLTMh yang menyangkut dengan stabilitas tegangan dan frekwensi pada saat ini.

Data Penelitian

1. Data Generator Induksi (IMAG)

Generator yang digunakan pada PLTMh adalah jenis generator Induksi/asinkron yang terdiri dari 2 (unit) dengan spesifikasi masing-masing unit adalah seperti pada tabel 1 dibawah ini:

Tabel 1. Spesifikasi Generator Induksi

No Uraian Data Satuan Keteranga n 1 Massa 200 Kg - 2 Putaran 1425 Rpm - 3 Frekuensi 50 Hz - 4 Daya Maksi mum 30 Kilo Wat t - 5 Tegangan 220; 38 0 Volt Delta; Star 6 Arus 99; 57,3 Ampere Delta;

Star

7 Kutub 4 Buah -

8 Daya Input Maksimum

87

2. Data Beban

Data beban diperoleh dengan melakukan pengamatan peralatan yang terhubung ke PLTMh beserta operasi hariannya.

Tabel 2. Beban Listrik PLTMh CokroTulung

No Jenis Beban Spesifikasi Jumlah

1 Pompa untuk mengisi kolam 1.5 Kw, 3.7 A, 380 V 8 2 Lampu hemat energy 24 watt 3 Kulkas 350 watt 4

4 Sound System 250 watt 1

5 Rumah Penduduk 900 watt 4

6 Lampu Mushalla 18 watt 3

7 Pompa mainan waterboom  Pompa 1  Pompa 2  Pompa 3 5.5 Hp, 15 A, 220/380 V, pf: 0.82. 0.75 Kw, 50 hz, 3.44/1.9 A, 220/380 V 3.5/2.0 A, 220/380 V (delta/bintang). 4 2 6 Alat Penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Meteran manual.

2. Volt meter, ampere meter dan power meter. 3. Perangkat keras komputer (Laptop) dengan

spesifikasi:

a. Processor Intel core 2 Duo, memory 1.92 GB b. Sistem operasi windows vista.

4. Microsft office excel 2007 5. Printer Cannon Pixma MP 258.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah dilaksanakan pengamatan dan analisis terhadap data harian, maka selanjutnya perlu digunakan tabel untuk melakukan perbandingan data supaya dapat dianalisis stabilitas tegangan dan frekuensi yang dibangkitkan oleh IMAG pada PLTMh.

1. Data Frekuensi Hari Kamis

Data tegangan dan frekuensi yang diukur pada hari kamis tanggal 15 Maret 2012 dapat dilihat pada tabel 3 dibawah ini.

Berdasarkan data pengamatan hari Kamis tampak penurunan tegangan pada pukul 21.00 hingga 00.00 WIB, hal ini menunjukkan bahwa belum diterapkan sistem stabilisasi beban yang baik pada PLTMh Cokro Tulung

Tabel 3 Data tegangan dan frekuensi pada hari Kamis

Waktu (Jam) Tegangan (V) Frekuensi (Hz) 06.00 230 52 07.00 230 52 08.00 230 52 09.00 230 52 10.00 230 52 11.00 230 52 12.00 230 52 13.00 230 52 14.00 230 52 15.00 230 52 16.00 230 52 17.00 230 52 18.00 220 51 19.00 220 51 20.00 220 51 21.00 190 46 22.00 190 46 23.00 190 46 00.00 190 46 01.00 220 51 02.00 220 51 03.00 220 51 04.00 220 51 05.00 220 51

2. Data Frekuensi Hari Minggu

Data tegangan dan frekuensi yang diukur pada hari Minggu tanggal 8 April 2012 dapat dilihat pada tabel 4 dibawah ini.

Tabel 0 Tegangan dan frekuensi pada hari Minggu

Waktu (Jam) Tegangan (V) Frekuensi (Hz) 06.00 230 52 07.00 230 52 08.00 230 52 09.00 230 52 10.00 230 52 11.00 220 51 12.00 190 46 13.00 190 46 14.00 190 46 15.00 220 52 16.00 220 52 17.00 220 52 18.00 220 52 19.00 220 52 20.00 220 51 21.00 200 46 22.00 200 46 23.00 220 46 00.00 220 46 01.00 190 46 02.00 220 51 03.00 220 51 04.00 220 51 05.00 220 51

Jurnal Litek (ISSN: 1693-8097) Volume 10 Nomor 2, September 2013: hal. 84-88

88

Berdasarkan data pengamatan hari Minggu tampak penurunan tegangan pada pukul 12-14 WIB pukul dan 21.00 hingga 01.00 WIB, hal ini menunjukkan bahwa belum diterapkan sistem stabilisasi beban yang baik pada PLTMh Cokro Tulung terutama pada waktu-waktu beban puncak. Dari data pengukuran tersebut ternyata perubahan tegangan, khususnya penurunan (voltage drop) melebihi persyaratan dar PUIL 2000 , yaitu berkisar antara (+5%,-10%). Kondisi yang lebih fatal terjadi pada ketidak stabilan frekuensi yang jauh melampaui standard yang diberikan oleh PUIL 2000,yaitu ± 1 % (49,5 – 50,5)

V. KESIMPULAN

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Dengan menambah tinggi jatuh air dari 1,21

meter menjadi 2,21 meter, dapat meningkatkan daya potensial dari 26,378 kW menjadi 48,178 kW, dan daya terbangkit dari 12,5 kW menjadi 22,82 kW.

2. Berdasarkan analisis beban harian, total arus beban utama (main load) ditambah dengan arus beban semu (ballast load) tidak selalu sama pada setiap waktu, hal ini berarti bahwa beban total yang dipikul oleh IMAG juga tidak selalu sama. 3. Perubahan beban utama mempengaruhi

tegangan dan frekuensi output dari IMAG, hal ini disebabkan karena pengontrol beban yang ada sekarang tidak bisa bekerja dengan baik dalam mengatur beban.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Bhim Singh and V. Rajagopal, Electronic Load

Controller For Islanded Asynchronous Generator In Picohydro power Generation, Indian Institute of Technology Delhi.

[2] Bansal,R.C 2005. Three-Phase Self-Excited

Induction Generators: An Overview, IEEE Transactions On Energy Conversion, VOL. 20,

NO. 2.

[3] Fathy M.M.Bassiouny. Performance Analysis of

Self Excited Induction Genarators, Department

of Electronic Technology College of Technology at Dammam, K.S.A.

[3] Isnaeni, M. BS. 2005/ Motor Induksi Sebagai

Generator (MISG), Seminar Nasional Teknik

Ketenaga Listrikan, Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro.

[4] Karim H. Youssef, dkk, 2008. A New Method

for Voltage and Frequency Control of Stand-Alone Self-Excited Induction Generator Using PWM Converter with Variable DC link Voltage, American Control Conferenc

[5] Ngoma Cand, J.P, dkk. 2008. Compensation of

reactive power of asynchronous generators at small hydro power, Energetics and electrical engineering, Наукові праці ВНТУ, 2008, № 2.

[6] Wasimudin Surya S. Analisa Karakteristik

Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) Pada pembangkit listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh), Jurusan Pendidikan Teknik Elektro