C-71
PENGARUH UKURAN KAPASITOR TERHADAP KARAKTERISTIK KELUARAN GENERATOR INDUKSI 1 FASE
Agus Supardi1, Dedi Ary Prasetya2, Joko Susilo3
1,2,3Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta e-mail :Agus.Supardi@ums.ac.id, Dediary.Prasetya@ums.ac.id
ABSTRACT
Most electrical equipment used by the public usually require 1 phase source. One type of generator that can be used to generate electricity is induction generator. Single phase induction generator can be operated in stand-alone conditions. In order to generate electricity, the induction generator must be connected to the capacitor with a certain size. This research investigated the effect of the size of the capacitor on the output characteristics of single phase induction generator.This research was started by assembling prime mover and induction generator. Induction generator under no-load is then rotated until 1500 rpm. After that the capacitor 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, and 72 μF connected to the induction generator terminals gradually. Measurement of voltage and frequency of induction generator are carried for each variation of capacitor. Testing continued with the induction generator test under resistive, inductive and resistive inductive load condition. Incandescent lamps are used as resistive loads while fluorescent lampsare used as inductive load. The generator load is varied from 40-440 watts to simulate residential load.The results showed that the size of the capacitor will influence the magnitude of voltage generated by the induction generator. The larger the capacitor, the greater the voltage generated. The size of the capacitor does not significantly affect to the frequency of induction generator. Types of loads connected to the induction generator will influence to voltage drop. For the same load, inductive load will result greater voltage drop than resistive load.
Keywords:1-phase induction generator, capacitor, voltage and frequency
PENDAHULUAN
Salah satu komponen utama yang menjadi pertimbangan dalam perencanaan sistem pembangkit adalah jenis generator yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.Generator induksi merupakan salah satu alternatif di antara beberapa jenis generator lainnya.Generator induksi mempunyai konstruksi yang kokoh, tidak memerlukan sikat arang/komutator, harganya murah, mudah perawatannya, mudah pengoperasiannya, dan mampu membangkitkan tenaga listrik pada berbagai kecepatan.Karakteristik inilah yang menyebabkan generator induksi menjadi salah satu alternatif pilihan untuk aplikasi pembangkit listrik berdaya kecil pada daerah yang terpencil lokasinya.
Apabila generator induksi hendak diterapkan pada suatu sistem pembangkit di lokasi terpencil, maka akan dijumpai kenyataan bahwa potensi tenaga penggerak mula yang digunakan untuk memutar generator tersebut adalah tidak konstan. Pada pembangkit tenaga mikrohidro sering dijumpai debit air yang berbeda-beda akibat pengaruh musim. Di sisi lain, beban harian yang harus dipikul oleh sistem pembangkit tersebut juga tidak konstan. Kondisi ini akan berdampak besar terhadap tegangan dan frekuensi pembangkit tersebut. Oleh karena itu perlu dilakukan suatu penelitian untuk membuat suatu prototipe generator induksi yang dapat menghasilkan tegangan dan frekuensi dalam batas-batas kualitas yang baik walaupun untuk implementasi di daerah terpencil.
Bansal (2005) mengungkapkan bahwa motor induksi 3 fase dapat diioperasikan sebagai generator induksi. Hal ini ditunjukkan dari diagram lingkaran mesin pada daerah slip negatif. Ini berarti bahwa agar mesin induksi 3 fase dapat beroperasi sebagai generator maka rotornya harus berputar lebih cepat daripada kecepatan medan magnet di statornya sehingga dihasilkan slip negatif. Pada kondisi ini daya aktif mengalir dari mesin, namun mesin membutuhkan daya reaktif.Agar terminal generator menghasilkan tegangan, maka eksitasi harus disediakan.Daya eksitasi ini bisa berasal dari jaringan (mesin menjadi semacam beban) atau bila sistem terisolasi (stand-alone) harus terhubung dengan suatu bank kapasitor yang cukup.
Besarnya kapasitor eksitasi yang diperlukan dapat diprediksi dengan melakukan pemodelan matematis.Boora (2010) memaparkan bahwa karakteristik generator induksi 3 fase tereksitasi diri
C-72
yang dimodelkan pada kondisi seimbang dan tak seimbang sangat ditentukan oleh nilai kapasitor eksitasi. Karena generator induksi yang dianalisis dalam kondisi stand alone maka frekuensi medan putar di belitan statornya akan berubah seiring dengan perubahan kecepatan rotor dan menghasilkan slipnya yang nilainya tetap kecil. Hasil lainnya menunjukkan efisiensi generator induksi mempunyai nilai yang tinggi.
Generator induksi mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan generator sinkron antara lain harga unitnya murah, konstruksinya kuat dan sederhana, mudah dalam pengoperasiannya, memerlukan sedikit perawatan, dan mempunyai keandalan yang tinggi (Ouhrouche, 1995). Menurut Bansal (2005) keunggulan generator induksi lainnya adalah reduksi unit cost dan ukuran, tanpa sikat, ketiadaan sumber DC terpisah, kemampuan proteksi diri terhadap beberapa kondisi beban lebih dan hubung singkat.
Generator induksi dapat diterapkan pada sistem pembangkit tenaga angin dimana mesin atau kincir angin yang memutar generator tidak mengharuskan pada kecepatan sinkronnya agar dihasilkan tegangan.Dengan demikian, jika daya yang dibangkitkan tidak mensyaratkan frekuensi dan tegangan tetap maka generator dapat dioperasikan stand alone atau terisolasi, terlepas dari saluran publik (Irianto, 2004).Fukami et al (1999) melaporkan bahwa mesin induksi 3 fase dapat digunakan sebagai generator induksi 1 fase pada suatu sistem yang tidak terhubung dengan jala-jala listrik (stand alone).
Ada beberapa permasalahan yang perlu dipecahkan terkait dengan pemanfaatan generator induksi sebagai pembangkit.Supardi (2009) memaparkan bahwa generator induksi 3 fase tereksitasi diri bisa menghasilkan harmonik. Tegangan generator induksi yang diteliti pada saat tanpa beban mengalami distorsi sebesar 16,7–20,7% dari komponen fundamentalnya. Harmonisa orde ke-3 adalah yang paling dominan dibanding dengan yang lainnya. Pemasangan beban lampu LHE dan lampu TL dengan ballast lilitan mengakibatkan keluaran generator menjadi lebih terdistorsi. Sumbangan lampu LHE terhadap distorsi harmonik lebih besar dari lampu TL dengan ballast lilitan. Dengan menggunakan filter harmonik orde ke-3 (terhubung seri) dan orde 5 (terhubung pararel) maka distorsi harmoniknya dapat diselesaikan karena nilainya sudah memenuhi standar IEEE 519 (THD-V < 5% dan THD-I < 15%).Ouhrouche and Chaine (1995) memaparkan bahwa generator induksi yang terhubung dengan kapasitor menjadi self excited jika dilepaskan dari jala-jala listrik.Nilai reaktansmagnetisasinya turun sehingga bisa menyebabkan ferroresonance.Gelombangnya menjadi sangat terdistorsi sehingga peralatan proteksi dapat salah merespon.Permasalahan lainnya yang muncul terkait dengan aplikasi generator induksi adalah tegangan dan frekuensi output generator induksi pada pengoperasian pembangkit stand-alone sangat sensitif terhadap perubahan beban. Hal ini akan menyebabkan generator induksi beroperasi pada tegangan dan frekuensi output yang berfluktuatif pada perubahan beban.
Dalam penelitian ini, kami mengusulkan pemakaian motor induksi 1 fasesebagai generator induksi. Hal ini dilatarbelakangi kenyataan bahwa motor ini mempunyai kapasitas daya yang kecil, jumlahnya fasenya hanya satu, sangat mudah dijumpai di pasaran, dan harganya sangat terjangkau sehingga sangat cocok untuk aplikasi pada pembangkit skala kecil di daerah terpencil. Untuk tujuan ini maka akan diteliti karakteristik dari generator induksi 1 fase dalam kondisi tereksitasi diri dengan memanfaatkan bank kapasitor. Pengujian karakteristik generator induksi dilakukan pada saat tanpa beban dan pada saat berbeban. Beban yang dipakai terdiri dari beban resistif, beban induktif dan beban resistif induktif. Beban resistif yang dipakai berupa lampu pijar sedangkan beban induktifnya berupa lampu TL.
METODE
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mesin induksi 1 fase yang difungsikan sebagai generator.
2. Penggerak mula untuk memutar generator induksi sampai suatu kecepatan tertentu. 3. Streng (v belt)dan pullyuntuk mengkopelgenerator induksi dengan penggerak mulanya. 4. Dudukan besi sebagai tempat untuk memasang generator induksi dan penggerak mulanya. 5. Tachometer untuk mengukur kecepatan putar generator induksi.
6. Power quality analyzeruntuk mengukur tegangan dan frekuensi generator induksi.
C-73
Pertama, generator induksi dikopel dengan penggerak mulanya. Kedua, generator induksi diputar hingga mencapai kecepatan 1500 rpm dengan jalan mengatur tegangan masukan pada penggerak mulanya. Ketiga, kapasitor eksitasi berukuran 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, dan 72 µF dihubungkan secara bertahap pada terminal generator induksi. Keempat, power quality analyzer dihubungkan pada terminal keluaran generator induksi untuk mengukur tegangan dan frekuensi generator induksi.
Kelima, pengukuran tegangan dan frekuensi generator induksi dilakukan pada saat tanpa beban dan pada saat berbeban. Dan yang keenam, beban yang dipakai adalah beban resistif, beban induktif, dan beban resistif induktif dengan daya yang divariasi mulai dari 40 – 440 W untuk menirukan beban rumah tangga.
Diagram alir penelitian ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian PEMBAHASAN
Pengujian Generator Induksi Tanpa Beban, pengujian rangkaian ini ditujukan untuk
mengetahui hubungan antara ukuran kapasitor terhadap tegangan dan frekuensi generator induksi pada saat generator induksi tanpa beban. Hasil pengujian generator induksi pada saat tanpa beban
ditunjukkan pada gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor akan berpengaruh terhadap tegangan generator induksi pada saat tanpa beban. Tegangan minimal sebesar 211 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 8 µF. Tegangan maksimal sebesar 252,3 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 72 µF. PLN menetapkan standar kualitas tegangan berkisar antara 0,9 – 1,05 kali tegangan
C-74
nominal. Bila mengacu pada standard kualitas tegangan ini maka range tegangan yang baik adalah 198 – 231 volt. Berdasarkan hasil pengujian maka kapasitor berukuran 8 – 48 µF adalah ukuran yang boleh dihubungkan pada generator induksi. Bila ukuran kapasitornya lebih dari 48 µF maka tegangan keluaran generatornya sangat tinggi sehingga bisa mengakibatkan kegagalan isolasi bahkan kerusakan dari peralatan listrik yang dihubungkan padanya. Data menunjukkan bahwa semakin besar ukuran kapasitornya maka tegangan generator induksinya akan semakin besar. Hal ini karena kapasitor berfungsi sebagai eksitasi generator induksi sehingga berperan sangat penting dalam proses pembangkitan tegangan pada belitan stator generator induksi. Semakin besar kapasitansi kapasitornya, maka impedansinya akan semakin kecil sehingga arus yang eksitasi yang dapat dialirkan oleh kapasitor tersebut semakin besar. Semakin besar arus eksitasinya, maka tegangan induksinya akan semakin besar.
Gambar 3 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor juga akan berpengaruh terhadap frekuensi generator induksi. Frekuensi minimal sebesar 48,8 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 72µF. Frekuensi maksimal sebesar 49,9 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 8 dan 32 µF. PLN menetapkan standar kualitas frekuensi berkisar antara 0,95- 1,05 kali frekuensi nominal (50 Hz). Bila mengacu pada standar kualitas frekuensi ini maka range frekuensi yang masih dikategorikan berkualitas adalah 47,5 – 52,5 Hz. Berdasarkan hasil pengujian maka kapasitor berukuran 8 – 72 µF dapat dihubungkan dihubungkan pada generator induksi tanpa mengakibatkan penurunan kualitas frekuensi. Data menunjukkan bahwa semakin besar ukuran kapasitornya maka frekuensi generator induksinya semakin kecil walaupun tingkat penurunannya masih dalam batas – batas nilai yang ditetapkan oleh standar yang berlaku. Berdasarkan hasil pengukuran tegangan dan frekuensi tersebut maka kapasitor berukuran 32µF dipilih sebagai yang paling tepat diantara kapasitor lainnya.
Gambar 2.Hubungan ukuran kapasitor dengan tegangan generator induksi pada saat tanpa beban
Gambar 3.Hubungan ukuran kapasitor dengan frekuensi generator induksi pada saat tanpa beban Pengujian Generator Induksi Berbeban Resistif, Gambar 4 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor akan berpengaruh terhadap tegangan generator induksi pada saat diberi beban resistif. Tegangan minimal sebesar 87,6 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 8 µF. Tegangan maksimal sebesar 241,1 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 56 µF. Pada penelitian ini, ukuran kapasitor dibatasi sampai 56 µF agar tidak merusak beban yang dihubungkan pada generator induksi. Bila dibandingkan dengan hasil pengujian tanpa beban, maka penambahan beban resistif mengakibatkan penurunan tegangan generator induksi. Untuk kapasitor berukuran 8 µF penambahan beban resistif sebesar 40 W mengakibatkan penurunan tegangan sebesar 123,4 volt (58,8%). Untuk
C-75
kapasitor berukuran 56 µF, penambahan beban resistif sebesar 40 W akan menyebabkan penurunan tegangan sebesar 4,9 volt (2%) saja. Hal ini memperlihatkan bahwa kapasitor berukuran besar dapat menyediakan arus eksitasi yang lebih baik dibandingkan dengan kapasitor berukuran kecil. Penambahan daya beban resistif juga berpengaruh terhadap tegangan keluaran generator induksi.
Gambar 4.Hubungan ukuran kapasitor dengan tegangan generator induksi pada saat berbeban resistif Gambar 5 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor juga akan berpengaruh terhadap frekuensi generator induksi walaupun pengaruhnya tidak terlalu siginifikan. Frekuensi minimal sebesar 49,1 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 56 µF. Frekuensi maksimal sebesar 49,1 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 8 µF. Bila dibandingkan dengan dengan hasil pengujian tanpa beban, maka penambahan beban resistif mengakibatkan penurunan frekuensi generator induksi. Untuk kapasitor berukuran 8 µF penambahan beban resistif sebesar 40 W akan mengakibatkan penurunan frekuensi sebesar 0,2 Hz (0,4%). Untuk kapasitor berukuran 56 µF penambahan beban resistif akan mengakibatkan penurunan frekuensi sebesar 0,2 Hz (0,4%).Hal ini memperlihatkan bahwa penambahan beban resistif tidak berpengaruh secara siginifikan terhadap penurunan frekuensi generator induksi. Gambar 3 juga menunjukkan bahwa semakin besar daya beban resistif yang dihubungkan maka frekuensi generatornya induksinya menjadi lebih kecil.
C-76
Gambar 6.Hubungan ukuran kapasitor dengan tegangan generator induksi pada saat berbeban induktif Pengujian Generator Induksi Berbeban Induktif, Gambar 6 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor akan berpengaruh terhadap tegangan generator induksi pada saat diberi beban induktif. Tegangan minimal sebesar 211 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 16 µF. Tegangan maksimal sebesar 257,1 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 48 µF. Bila dibandingkan dengan hasil pengujian tanpa beban dan pengujian berbeban resistif, maka penambahan beban induktif mengakibatkan penurunan tegangan generator induksi yang lebih besar lagi. Untuk kapasitor berukuran 8 µF penambahan beban induktif sebesar 40 W mengakibatkan penurunan tegangan yang sangat besar sehingga lampu TL tidak dapat hidup. Untuk kapasitor yang lebih besar penurunan tegangannya masih dapat menghidupkan lampu TL. Hal ini memperlihatkan bahwa penambahan beban induktif akan sangat berpengaruh terhadap tegangan keluaran generator induksi. Hal disebabkan karena disamping menyerap daya aktif beban induktif juga akan menyerap daya reaktif. Satu-satunya sumber daya reaktif dari generator induksi tereksitasi diri adalah dari kapasitor. Dengan demikian tidak semua arus reaktif dari kapasitor digunakan untuk mengeksitasi generator induksi. Dampaknya adalah penurunan tegangan keluaran generator induksi.
Gambar 7 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor juga akan berpengaruh terhadap frekuensi generator induksi walaupun pengaruhnya tidak terlalu siginifikan. Frekuensi minimal sebesar 48,7 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 48 µF. Frekuensi maksimal sebesar 49,6 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 16 µF. Bila dibandingkan dengan dengan hasil pengujian tanpa beban dan pengujian berbeban induktif, maka penambahan beban induktif mengakibatkan penurunan frekuensi generator induksi yang lebih besar lagi. Untuk kapasitor berukuran 48 µF penambahan beban induktif akan mengakibatkan penurunan frekuensi sebesar 1 Hz (2%). Hal ini memperlihatkan bahwa penambahan beban induktif juga tidak berpengaruh secara siginifikan terhadap penurunan frekuensi generator induksi. Gambar 7 juga menunjukkan bahwa semakin besar daya beban induktif yang dihubungkan maka frekuensi generatornya induksinya menjadi lebih kecil.
Gambar 7.Hubungan ukuran kapasitor dengan frekuensi generator induksi pada saat berbeban induktif
Pengujian Generator Induksi Berbeban Resistif Induktif, Gambar 8 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor akan berpengaruh terhadap tegangan generator induksi pada saat diberi beban resistif induktif. Tegangan minimal sebesar 161,6 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 16 µF. Tegangan maksimal sebesar 241,2 volt dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 48 µF. Bila dibandingkan dengan hasil pengujian tanpa beban, pengujian berbeban resistif, dan pengujian berbeban induktif maka penambahan beban resistif induktif mengakibatkan penurunan tegangan generator induksi yang lebih besar lagi.
C-77
Gambar 8.Hubungan ukuran kapasitor dengan tegangan generator induksi pada saat berbeban resistif induktif
Gambar 9.Hubungan ukuran kapasitor dengan frekuensi generator induksi pada saat berbeban resistif induktif
Gambar 9 menunjukkan bahwa ukuran kapasitor juga akan berpengaruh terhadap frekuensi generator induksi walaupun pengaruhnya tidak terlalu siginifikan. Frekuensi minimal sebesar 49 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 32 µF. Frekuensi maksimal sebesar 49,4 Hz dapat dibangkitkan oleh generator induksi pada saat dihubungkan dengan kapasitor berukuran 16, 24, dan 32 µF. Bila dibandingkan dengan dengan hasil pengujian tanpa beban, pengujian berbeban resistif, dan pengujian berbeban induktif maka penambahan beban resistif induktif mengakibatkan penurunan frekuensi generator induksi yang lebih besar lagi.
KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Tegangan keluaran generator induksi dipengaruhi oleh ukuran kapasitor eksitasinya. Semakin
besar ukuran kapasitor eksitasinya maka tegangan generator induksinya akan semakin besar. 2. Frekuensi generator induksi tidak terlalu dipengaruhi oleh ukuran kapasitor eksitasinya.
3. Jenis beban yang terhubung dengan generator induksi akan berpengaruh terhadap besarnya penurunan tegangan keluaran generator induksi. Untuk daya yang sama, beban induktif akan mengakibatkan penurunan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan beban resistif.
4. Jenis beban tidak terlalu berpengaruh terhadap penurunan frekuensi generator induksi. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih disampaikan kepada DIKTI selaku pemberi dana hibah penelitian bersaing sehingga penelitian ini dapat dilaksanakan. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada LPPM UMS yang telah memfasilitasi penyelenggaraan berbagai kegiatan terkait hibah penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA
Bansal, R.C., 2005, Three-Phase Self-Excited Induction Generators: An Overview, Ieee Transactions On Energy Conversion
C-78
Fukami T, Kaburaki Y, Kawahara S, Miyamoto T., 1999, Performance analysis of a regulated self-excited single phase induction generator using a three-phase machine". IEEE Trans Energy Conver 1999;14(3):622–7.
Irianto,C.G., 2004, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai Generator: Penentuan Nilai Kapasitor Untuk Penyedia Daya Reaktif, JETri, Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16
Ouhrouche M.A. and Chaine Q.M., 1995, EMTP Based Study of Self Excitation Phenomenon in an Induction Generator
S. Boora, 2010, Analysis of Self-Excited Induction Generator under Balanced or Unbalanced Conditions, ACEEE Int. J. on Electrical and Power Engineering, Vol. 01, No. 03, Dec 2010 Supardi, A., 2009, Karakteristik Distorsi Harmonik Generator Induksi 3 Fase Tereksitasi Diri dan
Perancangan Filternya, Conference on Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering Gadjah Mada University
