TUGAS AKHIR PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR (MISG) PADA SETIAP PERUBAHAN BEBAN O L E H

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR (MISG) PADA SETIAP PERUBAHAN BEBAN O L E H RUDIANTO SINAGA NIM : DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 008

2 ABSTRAK Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering dipakai di dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai motor penggerak motor induksi bisa juga dipakai sebagai generator, baik itu generator berkapasitas daya besar maupun daya kecil. Secara umum konstruksi motor induksi sama dengan generator induksi, hanya saja generator induksi memerlukan adanya prime over sebagai generator pada umumnya membangkitkan tenaga listrik dan harus memiliki slip negative artinya nr>ns. Jadi perputaran rotor diputar sedemikian rupa sehingga mendahului perputaran medan magnetnya. Perputaran medan magnet ini timbul karena adanya arus magnetisasi yang diberikan jala-jala kepada kumparan stator. Oleh karena itu maka motor induksi dapat dioperasikan sebagai generator induksi (MISG). Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) banyak diterapkan di pada Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro (PLTMh). Digunakannya generator induksi dikarenakan harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia di pasaran. Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan keluaran yang sangat terpengaruh beban. Oleh karena itu perlu dilakukan pengendalian tegangan agar tetap setimbang pada setiap penambahan beban sesuai dengan tegangan yang diijinkan. Salah satu caranya adalah membuat tahanan penyeimbang. Tahanan penyeimbang ini dapat berupa tahanan variable yang dipasang secara paralel terhadap beban yang dapat distel setiap perubahan beban tersebut.

3 KATA PENGANTAR Pertama - tama, penulis ingin sekali berterima kasih kepada Tuhan Yesus, yang oleh karena kasihnya, penulis masih dimampukan menyelesaikan tugas akhir ini. Adapun tugas akhir ini berjudul Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Pada Setiap Perubahan Beban, yang disusun dan diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik elektro. Sebagai manusia, penyusun menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penyusun berharap kekurangan kekurangan tersebut dapat dimaklumi. Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak. Maka dalam kesempatan ini, penyusun juga ingin berterima kasih kepada : 1. Kedua orang tua saya (T. Sinaga dan R. Pandiangan), Abang-abang dan adik adikku, yang selalu memperhatikanku dan yang terbanyak memberiku motivasi, sehingga Tugas Akhir ini masih dapat diselesaikan.. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen selaku dosen pembimbing tugas akhir yang telah banyak memberikan sumbangan ilmu dan waktunya. 3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rachmat Fauzi ST, MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU. 4. Bapak Arman Sani ST,MT selaku dosen wali

4 5. Bapak Ir. Mustafrin Lubis, selaku Kepala Laboratorium Mesin Mesin Listrik 6. Seluruh staff pengajar / dosen departemen Teknik Elektro FT. USU 7. Seluruh staff tata usaha departemen Teknik Elektro FT. USU 8. Saudara Eko (asisten laboratorium mesin mesin listrik) yang telah banyak meluangkan waktunya saat penyusun melakukan riset 9. Teman teman nongkrong bareng : Eno, Juni, Olo P,Irwan, Buhari, Hotdes, Bobie, Henrie, Bennie, EllriZone, Heatbean,Wiswa, Mualim, Jamil, Emil, Ardie, Ronald Boya, Jimmi dan teman teman 03 yang nama namanya tak dapat disebutkan satu persatu yang solid selama ini. 10. Teman teman 04, 05, 06, yang namanya tak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak memberi dorongan semangat pada penulis selama pengerjaan tugas akhir ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan karya ilmiah ini masih belum sempurna. Oleh karena penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang bisa membangun tugas akhir ini menjadi lebih baik lagi. Akhirnya penulis berharap bahwa karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Medan, 14 Juni 008 Rudianto Sinaga

5 ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Penulisan 1.3 Manfaat Penulisan Batasan Masalah Metode Penulisan Sistematika Penulisan... 5 II. MOTOR INDUKSI TIGA PHASA.1 Umum 7. Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Medan Putar.9.4 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa Aliran Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa Torsi Motor Induksi Tiga Phasa 0.7 Torsi Maksimum Motor Induksi Tiga Phasa 6

6 .8 Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa Disain motor induksi Penentuan parameter motor induksi....3 III. MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR 3.1 Umum Syarat-syarat Motor Induksi Tiga Phasa sebagi Generator Prinsip kerja Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator. 47 IV. PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR 4.1 Umum Peralatan Yang Digunakan Penentuan besar kapasitor Percobaan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Pada Setiap Perubahan Beban Dengan Pengendali dan tanpa Pengendali Tegangan Analisa pengendalian tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator..57 V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 63

7 5. Saran DAFTAR PUSTAKA...65 LAMPIRAN...66

8 DAFTAR GAMBAR.1 Konstruksi stator motor induksi Konstruksi rotor motor sangkar Konstruksi rotor motor belitan Diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang Grafik arus tiga phasa setimbang Medan putar pada motor induksi tiga phasa Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator Model rangkaian rotor motor induksi Rangkaian ekivalen perphasa motor induksi Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan rugi-rugi rotor Diagram aliran daya pada motor induksi Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input Impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input Rangkaian ekivalen Thevenin motor induksi Karakteristik torsi-slip pada motor induksi Karakteristik torsi-putaran motor induksi pada berbagai daerah Operasi...5

9 .18 Karakteristik torsi-kecepatan motor induksi pada berbagai desain Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol 34.0 Rangkaian pengukuran untuk test dc Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor test Prinsip kerja motor induksi sebagai generator Karakteristik torsi-kecepatan motor-generator induksi Untaian dasar pengendali tegangan Rangkaian percobaan motor induksi sebagai generator Rangkaian percobaan dengan menggunakan pengendali Grafik karakteristik Pbeban tehadap tegangan dengan menggunakan Pengendali Grafik karakteristik Pbeban dengan tegangan tanpa pengendali.63 DAFTAR TABEL

10 1. Distribusi reaktansi x1 dan x pada berbagai desain motor induksi. 37. Data percobaan motor induksi sebagai generator Data percobaan motor induksi sebagai generator dengan menggunakan pengendal Data percobaan motor induksi sebagai generator tanpa menggunakan pengendali Data effisiensi terhadap perubahan daya pada motor induksi sebagai generator tanpa pengendali 6

11 BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Semakin terbatasnya bahan bakar pembangkit listrik konvensional membuat krisis listrik makin larut berkepanjangan pada masa kini, maka salah satu cara untuk mengantisipasi hal ini adalah mencari sumber listrik alternatif untuk menggantikannya yaitu dengan cara menggunakan pembangkit yang dapat diperbaharui. Salah satunya adalah dengan menggunakan pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Generator yang dipakai adalah Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator satu phasa maupun tiga phasa. Motor induksi merupakan motor yang banyak digunakan baik di industri rumah tangga maupun industri skala besar. Hal ini dikarenakan konstruksi motor induksi yang kuat, sederhana serta tidak membutuhkan perawatan yang sangat banyak. Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan putaran sinkronnya dan atau mesin bekerja pada slip negatip (s<0). Agar dapat berfungsi sebagai generator maka motor ini memerlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi. n s = 10 f p

12 Dimana ns: Kecepatan medan putar,rpm f : Frekuensi sumber daya,hz p : Jumlah kutub motor induksi Kecepatan putar rotor tidak sama dengan kecepatan medan putar, putaran rotor harus lebih cepat daripada kecepatan medan putarnya sehingga menghasilkan slip negative. s = ns nr ns,dengan nr>ns Dimana s: slip ns: Kecepatan medan putar, rpm nr: Kecepatan putar rotor, rpm Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan keluaran yang sangat terpengaruh beban, oleh karena itu maka diperlukan suatu pengaturan tegangan sehingga perubahan tegangan tidak sampai mengganggu kontinuitas penyaluran daya oleh Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) tersebut. 1. TUJUAN PENULIS Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah:

13 1. Mengetahui pengaruh penambahan beban terhadap tegangan pada Motor Induksi Sebagai Generator dengan pengendali dan tanpa pengendali.. Membuat kendali tegangan menggunakan kontaktor dan beban penyeimbang, sehingga tegangan yang dihasilkan berkisar Volt pada setiap penambahan beban. 1.3 MANFAAT PENULISAN 1. Memberikan informasi kepada penulis dan pembaca mengenai pengaruh penambahan beban terhadap tegangan tanpa pengendali dan dengan pengendali.. Mengetahui besar nilai kapasitor yang akan disuplai pada Motor Induksi Sebagai Generator untuk membangkitkan arus eksitasi yang diperlukan. 3. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium konversi energi listrik. 1.4 BATASAN MASALAH Untuk menghindari pembahasan yang meluas maka penulis akan membatasi pembahasan tugas akhir ini dengan hal-hal sebagai berikut: 1. Tidak membahas masalah yang timbul saat terjadi hubung singkat.. Tidak membahas tentang system proteksi. 3. Membahas pembuatan kendali tegangan dengan teknologi sederhana yaitu dengan menggunakan kontaktor dan beban penyeimbang dan tidak

14 membahas tentang sensor tegangan dengan teknologi tidak sederhana seperti Induction Generator Controller (IGC). 4. Tidak membahas hubungan interkoneksi dengan jaringan/ system 5. Tidak membahas perubahan tegangan akibat gangguan pada system 6. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia data di laboratorium konversi energi listrik. 7. Membahas sekitar karakteristik pembebanan bersifat resistif dan tidak sampai pembebanan induktif dan kapasitif. 1.5 METODE PENULISAN Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks pendukung.. Studi diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan tugas akhir. 3. Studi laboratorium, melakukan percobaan untuk mendapatkan data-data yang diperlukan. 1.6 SISTEMATIKA PENULISAN

15 Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis menyusun sistematika penulisan sebagai berikut: BAB I : PENDAHULUAN Bab ini memuat latar belakang masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II : MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Bab ini membahas konstruksi motor induksi tiga phasa, medan putar, prinsip kerja motor induksi tiga phasa, rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa, aliran daya pada motor induksi tiga phasa, torsi motor induksi tiga phasa, dan effisiensi motor induksi tiga phasa BAB III : MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR (MISG) Bab ini membahas mengenai motor induksi sebagai generator, syarat-syarat yang harus dipenuhi sebagai Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). BAB IV : PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR PADA SETIAP PERUBAHAN BEBAN

16 Bab ini berisi percobaan-percobaan yang akan dilakukan untuk melihat pengaruh perubahan beban serta analisa terhadap perubahan tegangan pada motor induksi sebagai generator induksi baik itu dengan pengendali maupun tanpa pengendali BAB V : PENUTUP Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian ataupun analisis data - data yang telah diperoleh..1 UMUM BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

17 Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling luas digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan arus stator. Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi masih memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor DC hal yang sama tidak dijumpai.. KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang sama dengan motor sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi rotor. Stator dibentuk dari laminasi laminasi tipis yang terbuat dari aluminium ataupun besi tuang, dan kemudian dipasak bersama sama untuk membentuk inti stator dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil ) dari konduktor konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan ke dalam slot slot tersebut. Sehingga grup dari kumparan ini beserta dengan inti yang mengelilinginya membentuk rangkaian elektromagnetik. Banyaknya jumlah

18 kutub dari motor induksi tergantung pada hubungan internal dari belitan stator, yang mana bila belitan ini disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa maka akan membangkitkan medan putar. a) penampang inti stator b) Stator motor induksi Gambar.1 Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). Rotor sangkar terdiri dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot slot yang terdapat pada permukaan rotor dan tiap tiap ujungnya dihubung singkat dengan menggunakan shorting rings. Gambar. a) Rotor Sangkar b) Motor induksi rotor sangkar Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan tiga phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga phasa dari rotor ini terhubung Y dan kemudian tiap - tiap ujung dari tiga kawat

19 rotor tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor induksi rotor belitan, rangkaian rotornya dirancang untuk dapat disisipkan dengan tahanan eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam memodifikasi karakteristik torsi kecepatan dari motor. Gambar.3 a) Rotor belitan b) motor induksi rotor belitan.3 MEDAN PUTAR Ketika belitan tiga phasa dari motor induksi diberi suplai maka medan magnet yang berputar akan dihasilkan. Medan magnet ini dibentuk oleh kutub kutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah ubah mengelilingi stator. Adapun magnitud dari medan putar ini selalu tetap yaitu sebesar 1.5 Φ m dimana Φ m adalah fluks yang diebabkan suatu phasa. Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil contoh pada motor induksi tiga phasa dengan jumlah kutub dua. Dimana ke-tiga phasanya R,S,T disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa, dan arus pada phasa ini ditunjukkan sebagai I R, I S, dan I T, maka fluks yang dihasilkan oleh arus arus ini adalah :

20 Φ R = Φ m sin ωt...(.1a ) Φ S = Φ m sin (ωt 10 o )...(.1b ) Φ T = Φ m sin (ωt 40 o )...(.1c ) φ φ φ 1 φ3 ω t Gambar.5 Gambar.4 Fluksi tiga phasa setimbang diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang i ii iii iv Gambar.6 Medan putar pada motor induksi tiga phasa ( i ) Pada keadaan 1 ( gambar.6 ), ωt = 0 ; arus dalam phasa R bernilai nol sedangkan besarnya arus pada phasa S dan phasa T memiliki nilai yang sama dan arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara

21 resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 Φ m dan dibuktikan sebagai berikut : Φ R = 0 ; Φ S = Φ m sin ( -10 o ) = 3 Φ m ; Φ T = Φ m sin ( -40 o ) = 3 Φm Oleh karena itu resultan fluks, Φ r adalah jumlah phasor dari Φ T dan Φ S Sehinngga resultan fluks, Φ r = x 3 Φm cos 30 o = 1,5 Φ m ( ii ) Pada keadaan, arus bernilai maksimum negatif pada phasa S, sedangkan pada R dan phasa T bernilai 0,5 maksimum pada phasa R dan phasa T, dan pada saat ini ωt = 30 o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing masing phasa : Φ R = Φ m sin ( -10 o ) = 0,5 Φ m Φ S = Φ m sin ( -90 o ) = - Φ m Φ T = Φ m sin (-10 o ) = 0,5 Φ m Maka jumlah phasor Φ R dan - Φ T adalah = Φ r = x 0,5 Φ m cos 60 = 0,5 Φ m. Sehingga resultan fluks Φ r = 0,5 Φ m + Φ m = 1,5 Φ m.

22 Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 30 o dari posisi pertama. ( iii ) Pada keadaan ini ωt = 60 o, arus pada phasa R dan phasa T memiliki besar yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 Φ m ), oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing masing phasa : Φ R = Φ m sin ( 60 o ) = 3 Φm Φ S = Φ m sin ( -60 o ) = Φ T = Φ m sin ( -180 o ) = 0 3 Φ m Maka magnitud dari fluks resultan : Φ r = x 3 Φm cos 30 o = 1,5 Φ m Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 60 o dari posisi pertama. ( iv ) Pada keadaan ini ωt = 90 o, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan arus pada phasa S dan phasa T = 0,5 Φ m, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing masing phasa Φ R = Φ m sin ( 90 o ) = Φ m Φ S = Φ m sin ( -30 o ) = - 0,5 Φ m Φ T = Φ m sin (-150 o ) = - 0,5 Φ m Maka jumlah phasor - Φ T dan Φ S adalah = Φ r = x 0,5 Φ m cos 60 = 0,5 Φ m. Sehingga resultan fluks Φ r = 0,5 Φ m + Φ m = 1,5 Φ m. Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 90 o dari posisi pertama.

23 .4 RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Operasi dari motor induksi tergantung pada induksi arus dan tegangan di dalam rangkaian rotor yang berasal dari rangkaian stator karena adanya aksi transformator. Karena induksi arus dan tegangan pada motor induksi pada dasarnya sama dengan operasi transformator, maka rangkaian ekivalen motor induksi akan sangat menyerupai rangkaian ekivalen dari transformator. Motor induksi disebut juga sebagai singly excited machine, sebab daya hanya disuplai dari rangkaian stator. Karena motor induksi tidak memiliki rangkaian medan, maka pada modelnya tidak akan terdapat sumber tegangan internal E A sebagaimana dijumpai pada mesin sinkron. Rangkaian ekivalen per phasa dari transformator dapat menggantikan operasi dari motor induksi. Sebagaimana halnya pada transformator, maka akan terdapat tahanan (R 1 ) dan induktansi sendiri (X 1 ) pada belitan stator yang direpresentasikan dalam rangkaian ekivalen mesin.

24 Gambar.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator Tegangan stator E 1 dikopel terhadap sisi sekunder E R sebagaimana halnya transformator ideal dengan rasio belitan effektif a eff. Rasio belitan ini dengan mudah dapat ditentukan pada motor induksi rotor belitan, yang mana pada dasarnya rasio ini merupakan banyaknya konduktor per phasa pada stator terhadap jumlah konduktor per phasa pada rotor. Akan tetapi tidak demikian halnya pada motor induksi sangkar tupai, karena tidak terdapatnya belitan pada rotor motor tersebut. Tegangan E R pada rotor akan menghasilkan arus, karena rangkaian rotornya terhubung singkat. Impedansi rangkaian primer dan arus magnitisasi dari motor induksi sama halnya dengan komponen - komponen yang dijumpai pada transformator. Hal yang membedakan rangkaian ekivalen tersebut pada motor induksi dikarenakan terdapatnya variasi frekuensi pada tegangan rotor (E R ), impedansi rotor R R dan jx R. Ketika tegangan diberikan pada belitan stator, maka tegangan akan diinduksikan pada belitan rotornya. Pada umumnya, gerak relatif yang lebih besar di antara rotor dan medan putar stator, akan menghasilkan tegangan dan frekuensi rotor yang lebih besar juga. Gerak relatif yang terbesar terjadi saat rotor dalam keadaaan diam atau disebut juga dalam keadaan blocked rotor. Sebaliknya,

25 frekuensi dan tegangan terendah timbul saat rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan kecepatan sinkron, sehingga tidak terdapat pergerakan relatif. Magnitud dan frekuensi tegangan induksi rotor pada saat berputar sebanding dengan slip dari rotornya. Sehingga, besarnya tegangan induksi rotor dalam kondisi rotor terkunci disebut E RO, sedangkan untuk slip pada suatu putaran tertentu dirumuskan dengan: E R = se RO...(.8) Dan frekuensi tegangan induksi pada slip tertentu : f r = sf e...(.9) Tahanan dari rotor R R bernilai konstan/ tidak tergantung pada slip, sementara itu pada reaktansi rotor besarnya akan dipengaruhi oleh slip. Reaktansi dari rotor tergangtung pada induktansi rotor, frekuensi tegangan rotor dan arus pada rotor. Bila induktansi rotor L R, maka reaktansi rotor adalah : X R = ω r L R = π f r L R : f r = sf e Sehingga X R = π sf e L R = s( π sf e L R ) = sx RO...(.10) L R = induktansi rotor X RO = reaktansi blok rotor. Rangkaian ekivalen rotor dapat dilihat pada gambar.8 :

26 Gambar.8 model rangkaian rotor motor induksi Dari gambar.8 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai : I R = R R E + R jx R...(.11) I R = R R ER + jsx RO...(.1) I R = R R E / s + I R = arus rotor ( A ) RO jx RO...(.13) E R = tegangan induksi pada rotor ( V ) R R = tahanan rotor ( Ώ ) X R = reaktansi rotor ( Ώ ) Untuk mempermudah penganalisaan, maka rangkaian ekivalen motor induksi pada gambar.8 dapat dilihat dari sisi stator, seperti gambar.9 : Gambar.9 Rangkaian ekivalen per phasa motor induksi Seperti halnya pada transformator, tegangan, arus, dan impedansi sisi sekunder dapat digantikan ke sisi primer sesuai dengan rasio belitannya, sehingga hal yang sama juga berlaku untuk untuk motor induksi.

27 V p = V s = a V s...(.14) I p = I s = Is/a...(.15) Z s = a Z s...(.16) Secara eksak urutan transformasi yang sama dapat dilakukan untuk rangkaian rotor motor induksi. Jika rasio belitan effektif dari motor induksi adalah a eff, kemudian tegangan rotor ditransformasikan menjadi: E 1 = E R = a eff E RO...(.18) Arus rotor menjadi: I = I R / a eff...(.19) Dan impedansi rotor menjadi Z = a eff (R R /s + jx RO )...(.0) Atau dapat juga didefenisikan dengan : R = a eff R R... (.1) X = a eff X RO... (.) Apabila rugi rugi tembaga dipisahkan dengan besarnya daya yang dikonversikan menjadi daya mekanik, maka rangkaian ekivalennya adalah seperti pada gambar.10 Gambar.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan rugi rugi rotor Dalam teori transformator, analisa rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang magnetisasi atau dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak

28 dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus magnetisasi yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh). Untuk itu dalam rangkaian ekivalen R C dapat diabaikan..5 ALIRAN DAYA PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya mekanik pada poros motor. Berbagai rugi rugi yang timbul selama proses konversi energi listrik antara lain : 1. rugi rugi tetap ( fixed losses ), terdiri dari : rugi rugi inti stator (P CORE ) P CORE = 3 E1 G C...(.3) rugi rugi gesek dan angin. rugi rugi variabel, terdiri dari : rugi rugi tembaga stator (P SCL ) P SCL = 3 I 1 R 1...(.4) rugi rugi tembaga rotor ( P RCL ) P RCL = 3 I R...(.5) Daya pada celah udara (P AG )dapat dirumuskan dengan : P AG = P in P SCL - P CORE...(.6) Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu satunya elemen pada rangkaian ekivalen yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R /s. Oleh karena itu daya pada celah udara dapat juga ditulis dengan :

29 R AG = 3I...(.7) s P Apabila rugi rugi tembaga dan rugi rugi inti dikurangi dengan daya input motor, maka akan diperoleh besarnya daya listrik yang diubah menjadi daya mekanik. Besarnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah: 1 s Pconv = 3I R...(.8) s Dari persamaan.5 dan.7 dapat dinyatakan hubungan rugi rugi tembaga dengan daya pada celah udara : P RCL = s P AG...(.9) Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya pada celah udara dikurangi dengan rugi rugi tembaga rotor, maka daya mekanik dapat juga ditulis dengan : P conv = (1 s ) P AG...(.30) Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya mekanik dikurangi dengan rugi rugi gesek dan angin. Gambar.1 menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga phasa :

30 Gambar.1 Diagaram aliran daya pada motor induksi.6 TORSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Dari rangkaian ekivalen dan diagram aliran daya motor induksi tiga phasa yang telah diperoleh sebelumnya dapat diturunkan suatu rumusan unum untuk torsi induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor induksi diberikan oleh persamaan: τ ind = P conv ω...(.31) m τ ind = P AG ω sync...(.3) Persamaan yang terakhir di atas sangat berguna, karena kecepatan sinkron selalu bernilai konstan untuk tiap tiap frekuensi dan jumlah kutub yang diberikan motor. Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah udara akan menentukan besar torsi induksi pada motor.

31 Meskipun terdapat berbagai cara menyelesaikan rangkaian seperti gambar.11, untuk menentukan besarnya arus I, kemungkinan penyelesaian yang paling mudah dapat dilakukan dengan menentukan rangkaian ekivalen Thevenin dari gambar tersebut. Agar dapat menghitung ekivalen Thevenin dari sisi input rangkaian ekivalen motor induksi, pertama tama terminal X s dihubung buka (open - circuit ), kemudian tegangan open circuit di terminal tersebut ditentukan. Untuk menentukan impedansi Thevenin, maka tegangan phasa dihubung singkat ( short circuit ) dan Z eq ditentukan dengan melihat ke dalam sisi terminal. Gambar.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input Dari gambar.13 ditunjukkan bahwa terminal di open circuit untuk mendapatkan tegangan ekivalen Thevenin. Oleh karena itu dengan aturan pembagi tegangan diperoleh : Z V TH = V M Φ ZM + Z1

32 = V Φ R 1 + jx M jx + 1 jx M Magnitud dari tegangan Thevenin V TH adalah : X V TH = V Φ M...(.33) R ( ) 1 + X1 + X M Karena reaktansi magnetisasi X M >> X 1 dan X M >> R 1, harga pendekatan dari magnitud tegangan ekivalen Thevenin : X M V TH V Φ X. + X...(.34) 1 M Gambar.14 menunjukkan tegangan input dihubung singkat. Impedansi ekivalen Thevenin dibentuk oleh impedansi paralel yang terdapat pada rangkaian. Gambar.14 impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input Impedansi Thevenin Z TH diberikan oleh : Z TH = Z1ZM Z + Z 1 M Z TH = R TH + jx TH = jx M R + 1 ( R1 + jx1) j( X + X ) 1 M...(.35)

33 Karena X M >> X 1 dan X M + X 1 >> R 1, tahanan dan reaktansi Thevenin secara pendekatan diberikan oleh : R TH R 1 X TH X 1 Gambar di bawah menunjukkan rangkaian ekivalen Thevenin : Gambar.15 rangkaian ekivalen Thevenin motor induksi Dari gambar di atas arus I diberikan oleh : I = VTH Z + Z TH ; I = R TH + R VTH / s + jx TH + jx Magnitud dari arus I = ( R + R / s) + ( X + X ) TH V TH TH 1...(.36) Daya pada celah udara diberikan oleh : P AG = 3 I R 3V THR / s ; PAG = s ( ) R + R + ( X + X ) [ ] TH TH...(.37) Sedangkan torsi induksi pada rotor

34 τ ind = P AG ω sync ; τ ind = ω sync TH [( R + R ) + ( X + X ) ] TH 3V R / s TH...(.38) pada gambar.16 Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan Gambar.16 Karakteristik torsi slip pada motor induksi Sedangkan kurva torsi - kecepatan motor induksi yang menunjukkan kecepatan di luar daerah operasi normal ditunjukkan pada gambar.17

35 Gambar.17 Karakteristik torsi putaran pada motor induksi pada berbagai daerah operasi Dari kedua kurva karakteristik torsi motor induksi di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron. kurva torsi kecepatan mendekati linear di antara beban nol dan beban penuh. Dalam daerah ini, tahanan rotor jauh lebih besar dari reaktansi rotor, oleh karena itu arus rotor, medan magnet rotor, dan torsi induksi meningkat secara linear dengan peningkatan slip. 3. Akan terdapat torsi maksimum yang tak mungkin akan dapat dilampaui. Torsi ini disebut juga dengan pull out torque atau break down torque, yang besarnya 3 kali torsi beban penuh dari motor. 4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar daripada torsi beban penuhnya, oleh karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang dapat disuplai pada daya penuh.

36 5. torsi pada motor akan memberikan harga slip yang bervariasi sebagai harga kuadrat dari tegangan yang diberikan. Hal ini sangat penting dalam membentuk pengaturan kecepatan dari motor. 6. jika rotor motor induksi digerakkan lebih cepat dari kecepatan sinkron, kemudian arah dari torsi induksi di dalam mesin menjadi terbalik dan mesin akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya mekanik menjadi daya elektrik. 7. jika motor induksi bergerak mundur relatif arah dari medan magnet, torsi induksi mesin akan menghentikan mesin dengan sangat cepat dan akan mencoba untuk berputar pada arah yang lain. Karena pembalikan arah medan putar merupakan suatu aksi penyaklaran dua buah phasa stator, maka cara seperti ini dapat digunakan sebagai suatu cara yang sangat cepat untuk menghentikan motor induksi. Cara menghentikan motor seperti ini disebut juga dengan plugging..8 TORSI MAKSIMUM MOTOR INDUKSI Karena torsi induksi bernilai τ ind = P AG /ω sync, maka torsi maksimum yang mungkin terbentuk jika daya pada celah udara maksimum. Karena daya pada celah udara sama dengan daya yang dikonsumsi oleh resistor R /s, torsi induksi akan maksimum ketika daya yang dikonsumsi oleh resistor maksimum.

37 Transfer daya terhadap resistor R /s akan maksimum jika magnitud dari impedansi sama dengan magnitud dari impedansi sumber. Dari rangkaian ekivalen Thevenin impedansi sumber dari rangkaian : Z source = R TH + jx TH + jx...(.39) Oleh karena itu transfer daya maksimum adalah : R s ( X ) = R TH + TH + X...(.40) atau slip pada saat torsi maksimum ; R s maks =...(.41) R TH + ( X X ) TH + Oleh karena itu slip dari rotor saat torsi maksimum secara langsung sebanding dengan tahanan rotor. Sedangkan torsi maksimum dapat ditentukan sebagai berikut : τ max = ω sync 3V TH ( X ) TH X RTH + R TH (.4) Atau dengan secara rumus torsi maksimum dapat diturunkan sebagai berikut, T = Pm ω r Dengan : ω r = kecepatan sudut (mekanik) dari rotor. Nr = Ns (1-s), sehingga diperoleh pula: ω r = ω s (1-s)...(.43)

38 Bila dilihat torsi mekanik yang ditransfer pada rotornya (dengan memperrhatikan gambar.9) akan diperoleh sebagai berikut. Dimana: Tg = 1 se r sα = ω s + α s [ r + ( sx ) ] k...(.44) k = α = E ω x r x Ttorsi start yang dibutuhkan pada motor induksi dapat dihitung dengan memasukkan nilai s = 1 pada persamaan (.44). Selanjutnya dengan memperhatikan persamaan.30, torsi mekanik yang bermanfaat untuk memutar rotor menjadi: Tm = 1 sα(1 s) P m = Pg(1 s) = k...(.45) ω s + α s dt Torsi maksimum dicapai pada = 0, maka dari persamaan (.44), maka ds diperoleh: dt ds = α (s + α ) s.α (s) = 0 s + α s = 0 s = α s = ± α..(.46)

39 Dari keadaan ini akan diperoleh torsi maksimum (T mx ) sebesar: T mx = kα α = 1/ k.....(.47) Torsi maksimum (1/k) tersebut dicapai pada slip positif (mesin bertindak sebagai motor induksi) dan pada slip negatif (mesin bertindak sebagai generator induksi)..8 EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Effisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan sebagai ukuran keeffektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan / rasio daya output ( keluaran ) dengan daya input ( masukan ), atau dapat juga dirumuskan dengan : P η = P out in = P out P out + losses + P ROT x 100%...(.48) Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa effisiensi motor tergantung pada besarnya rugi rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan effisiensi motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secara penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan. Effisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi rugi rotasi yang terdiri dari rugi rugi mekanik dan rugi rugi inti. Rugi rugi tembaga stator tdk dapat diabaikan sekalipun motor

40 berbeban ringan ataupun tanpa beban. Persamaan yang dapat digunakan untuk motor tiga phasa ini adalah : P rot l 1 1 = 3 V I cosθ 3I R...(.49) 1 Dari ke dua rumus di atas dapat dinyatakan bahwa rugi rugi daya = total daya input rugi tembaga stator. Situasi ini tepat karena rotor tidak dibebani sewaktu sedang beroperasi sehingga slipnya sangat kecil oleh karena itu arus, dan rugi rugi tembaga rotor diabaikan. Dari pengujian hubung singkat akan dihasilkan parameter rotor. Daya total yang dialirkan ke motor sewaktu tegangan dikurangi selama pengujian ini, didissipasikan dalam rugi rugi tembaga stator dan rugi rugi tembaga rotor..9 DISAIN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke dalam empat kelas yakni disain A,B,C, dan D. Karakteristik torsi kecepatannya dapat dilihat pada gambar.18.

41 Gambar.18 Karakteristik torsi kecepatan motor induksi Pada berbagai disain Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal ( %) dari nilai ratingnya) danarus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu menangani beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat. Slip < = 5% Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran. Motor ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A, akan tetapi motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked rotor cukup baik untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam aplikasi industri. Slip motor ini < =5 %. Effisiensi dan faktor dayanya pada saat berbeban penuh tinggi sehingga disain ini merupakan yang paling populer. Aplikasinya dapat dijumpai pada pompa, kipas angin/ fan, dan peralatan peralatan mesin. Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (00 % dari nilai ratingnya) dari dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban beban seperti konveyor, mesin penghancur (crusher ), komperessor,dll. Operasi dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah besar. Arus startnya rendah, slipnya < = 5 % Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan beban penuhnya rendah. Memiliki nilai slip yang tinggi ( 5-13 % ),

42 sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya : elevator, crane, dan ekstraktor..10 PENENTUAN PARAMETER MOTOR INDUKSI Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor induksi dapat diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan, dan pengukuran tahanan dc lilitan stator Pengujian Tanpa Beban ( No Load Test ) Pengujian tanpa beban pada motor induksi akan memberikan keterangan berupa besarnya arus magnetisasi dan rugi rugi tanpa beban. Biasanya pengujian tersebut dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan tiga phasa dalam keadaan setimbang yang diberikan pada terminal stator. Pembacaan diambil pada tegangan yang diizinkan setelah motor bekerja cukup lama, agar bagian bagian yang bergerak mengalami pelumasan sebagaimanamestinya. Rugi rugi rotasional keseluruhan pada frekuensi dan tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan dan sama dengan rugi rugi tanpa beban. Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi rugi-rugi yang ada di stator. Karenanya rugi rugi I R tanpa beban cukup kecil dan dapat diabaikan. Pada transformator rugi rugi I R primernya tanpa beban dapat diabaikan, akan tetapi rugi rugi stator tanpa beban motor induksi besarnya

43 cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi rugi rotasional P R pada keadaan kerja normal adalah : P ROT = P nl 3 I nl R 1...(.50) Dimana Pnl = daya input tiga phasa Inl = arus tanpa beban tiap phasa ( A ) R 1 = tahanan stator tiap phasa ( ohm ) Karena slip pada keadaaan tanpa beban sangat kecil, maka akan mengakibatkan tahanan rotor R /s sangat besar. Sehingga cabang paralel rotor dan cabang magnetisasi menjadi jx M di shunt dengan suatu tahanan yang sangat besar, dan besarnya reaktansi cabang paralel karenanya sangat mendekati X M. Sehingga besar reaktansi yang tampak X nl yang diukur pada terminal stator pada keadaan tanpa beban sangat mendekati X 1 + X M, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator, sehingga X nl = X 1 + X M...(.51) Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin tiga phasa yang terhubung Y besarnya impedansi tanpa beban Znl/ phasa : Z nl = V nl...(.5) 3I nl Di mana V nl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban. Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban R nl adalah : R nl = P 3I nl nl...(.53)

44 P nl merupakan suplai daya tiga phasa pada keadaan tanpa beban, maka besar reaktansi tanpa beban X nl = Z R...(.54) nl nl sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar.19 Gambar.19 rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol.11. Pengujian tahanan stator ( DC test ) Untuk menentukan besarnya tahanan stator R 1 dilakukan dengan test DC. Pada dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi. Karena arus yang disuplai adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan stator. Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai rated, yang mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang sama selama operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka besar tahanan stator/ phasa adalah : VDC R 1 =...(.55 ) IDC Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator,

45 3V DC R 1 =...(.56 ) I DC Dengan diketahuinya nilai dari R 1, rugi rugi tembaga stator pada beban nol dapat ditentukan, dan rugi rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih dari daya input pada beban nol dan rugi rugi tembaga stator. Gambar 3.4 menunjukkan salah satu bentuk pengujian DC pada stator motor induksi yang terhubung Y. Gambar.0 rangkaian pengukuran untuk test DC Pengujian Rotor Tertahan ( Block Rotor Test ) Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter parameter motor induksi, dan biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor dikunci/ ditahan sehingga tidak berputar. Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus yang mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan nilai beban penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur. Rangkaian ekivalen untuk pengujian ini ada pada gambar.1

46 Gambar.1 rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor test Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R /s = R. Karena nilai R dan X begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir melalui tahanan dan reaktansi tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat ini terlihat seperti kombinasi seri X 1, R 1, X, dan R. Sesudah tegangan dan frekuensi diatur, arus yang mengalir pada motor diatur dengan cepat, sehingga tidak timbul kenaikan temperatur pada rotor dengan cepat. Daya input yang diberikan kepada motor Pin = 3 VT IL cosθ...(.57 ) V T = tegangan line pada saat pengujian berlansung I L = arus line pada saat pengujian berlangsung V T Z BR =...(.58 ) 3 I L Z BR = impedansi hubung singkat Z BR = R BR + jx BR = Z BR cos θ + j Z BR sin θ...(.59 ) Tahanan block rotor : R BR = R 1 + R...(.60 ) Sedangkan reaktansi block rotor X BR = X 1 + X

47 X 1 + X adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian R = R BR R 1...(.61 ) Nilai dari R 1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding langsung dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( X BR ) pada saat frekuensi operasi normal f.rated X BR = x X' BR = X1 + X...(.6 ) f.test Untuk memisahkan harga X1 dan X, maka dapat digunakan tabel 1 Tabel 1. distibusi reaktansi X1 dan X pada berbagai disain motor induksi Disain kelas motor X 1 X A 0,5 X BR 0,5 X BR B 0,4 X BR 0,6 X BR C 0,3 X BR 0,7 X BR D 0,5 X BR 0,5 X BR Rotor belitan 0,5 X BR 0,5 X BR

48 BAB III MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR (MISG) 3.1 UMUM Motor induksi tiga phasa merupakan motor yang banyak digunakan baik di industri rumah tangga maupun industri skala besar. Hal ini dikarenakan konstruksi motor induksi yang kuat, murah, sederhana serta tidak membutuhkan perawatan yang sangat banyak. Secara umum konstruksi motor induksi sama dengan generator induksi, hanya saja generator induksi memerlukan adanya prime over sebagai penggerak. Oleh karena itu motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar, sehingga menghasilkan slip (s) negative. Untuk menjadikan motor induksi sebagai generator maka mesin ini membutuhkan daya reaktif untuk membangkitkan arus eksitasi. Dengan cara ini maka motor listrik tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator satu phasa maupun tiga phasa. Motor induksi sebagai generator banyak diterapkan pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro yang bekerja secara sendiri (stand alone operating). Mesin ini dipilih sebagai alternatif pembangkit tenaga listrik karena tidak banyak membutuhkan perawatan seperti mesin sinkron dan tidak membutuhkan bahan

49 bakar pada saat diaplikasikan di lapangan, tapi cukup bergantung pada sumber energi terbarukan seperti air, angin, dll untuk sebagai prime over SLIP Slip adalah nilai suatu dari perbedaan antara frekuensi listrik (rotasi dari medan magnet internal dengan frekuensi gerak (rotasi dari rotor) pada mesin listrik. Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip (s). Slip dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan sebagai persen dari kecepatan sinkron. ns nr Slip (s) = 100%..(3.1) n dimana: n r = kecepatan rotor n s = kecepatan sinkron s Apabila n r < n s, (0<s<1), kecepatan dibawah sinkron akan menghasilkan kopel, rotor dijalankan dengan mempercepat rotasi medan magnet, tenaga listrik diubah ke tenaga gerak (daerah motor). bila n r = n s, (s = 0), tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. bila n r > n s, (s < 0), kecepatan di atas sinkron, rotor dipaksa berputar lebih cepat daripada medan magnet. Tenaga gerak diubah ke tenaga listrik (daerah generator). s = 1, rotor ditahan, tidak ada transfer tenaga.

50 s > 1, kecepatan terbalik, rotor dipaksa bekerja melawan medan magnet (daerah pengereman) 3.1. Frekuensi Rotor Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar ' f yaitu, 10 f ' ns n r = P, diketahui bahwa n s = 10 f p Dengan membagikan dengan salah satu, maka didapatkan : f f ' = n s n n s r = s Maka ' f = sf ( Hz ).(3.) Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor ' f = sf dan ketika arus ini mengalir pada masing masing phasa di belitan rotor, akan memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif terhadap putaran rotor sebesar sn. s Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnitud yang konstan dan kecepatan medan putar n s yang konstan. Kedua Hal ini

51 merupakan medan magnetik yang berputar secara sinkron. Kenyataannya tidak seperti ini karena pada stator akan ada arus magnetisasi pada kumparannya EFISIENSI Sama halnya dengan mesin-mesin listrik yang lain, pada motor induksi sebagai generator rugi-rugi terdiri dari rugi-rugi tetap dan rugi-rugi variabel. Pada kondisi beban nol daya outputnya sama dengan nol, sehingga effisiensi bernilai nol. Apabila motor induksi berbeban ringan, maka rugi-rugi tetap akan lebih besar jika dibandingkan terhadap outputnya, sehingga effisiensinya rendah. Jika beban meningkat, maka effisiensinya juga akan meningkat dan akan menjadi maksimum sewaktu rugi-rugi variabel sama dengan rugi-rugi inti. Effisiensi maksimum terjadi saat 80 hingga 95 persen dari rated output. Jika beban ditingkatkan secara terus-menerus hingga melampaui effesiensi maksimumnya rugi-rugi beban akan meningkat dengan sangat cepat daripada outputnya, sehingga effisiensi menurun KAPASITOR Kapasitor adalah suatu peralatan listrik untuk menyimpan muatan listrik. Konstruksi kapasitor pada umumnya terdiri dari dua buah konduktor yang berdekatan namun dipisahkan oleh bahan elektrik. Kapasitansi kapasitor (C) adalah suatu kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan.

52 Q = V.I (3.3) = V. V X c V 1 =, Xc = Xc πfc Q = V. Л f C (3.4) C = Q. (3.5) V πf Kapasitor Hubungan Delta ( ) Apabila dihubungkan dengan hubungan delta ( ) maka besar kapasitansi kapasitor adalah: C perphasa = Q 3v π f (3.6) Kapasitor Hubungan Wye (Y) Apabila dihubungkan dengan hubungan bintang (Υ) maka besar kapasitansi kapasitor adalah: CY perphasa = Q..(3.7) V πf

53 3. SYARAT-SYARAT MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar (nr>ns) dan atau mesin bekerja pada slip negatip (s<0). ns = 10 f (3.8) p Dengan ns: Kecepatan medan putar,rpm f : Frekuensi sumber daya,hz p : Jumlah kutub motor induksi. Sehingga ; Dengan s: slip s = ns nr.100%, nr>ns...(3.9) ns ns: Kecepatan medan putar, rpm nr: Kecepatan putar rotor, rpm Karena Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) ini bekerja stand alone maka mesin ini memerlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi.

54 Fungsi pemasangan kapasitor pada Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) beroperasi sendiri ini adalah untuk menyediakan daya reaktif. 3.3 PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR PTDC P T A C 1 Saklar 1 Saklar 4 Sumber Tegangan Dari PLN pengaman -MCB -Sekering P T D C 1 A3 A M dc M ind nr > ns A1 v1 R R R B E B A N Saklar Saklar 3 C K L R S T Gambar 3.1. Prinsip kerja Motor induksi Sebagai Generator Pada mesin induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi. Jika belitan stator diberi tegangan tiga phasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga phasa, arus ini kemudian akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (n s ) dan kemudian akan melakukan pengisian muatan ke kapasitor (C) yang dipasang parallel dengan stator yang tujuannya untuk mensuplai tegangan

55 ke stator nanti untuk mempertahankan kecepatan sinkron (ns) motor induksi pada saat dilakukan pelepasan sumber tegangan tiga phasa pada stator. Mesin dc sebagai prime over yang dikopel dengan mesin induksi diputar secara perlahan memutar rotor mesin induksi hingga mencapai putaran sinkronnya (nr = ns). Saklar sumber tegangan tiga phasa untuk stator dilepas, dan kapasitor yang sudah dicharge akan bekerja dan akan mempertahankan besar ns. Motor dc diputar hingga melewati kecepatan putaran sinkronnya mesin induksi (nr>ns), sehingga slip yang timbul antara putaran rotor dan putaran medan magnet menghasilkan slip negatip (s<0) dan akan menghasilkan tegangan sehingga motor induksi akan berubah fungsi menjadi generator induksi. Gambar 3.. Karakteristik torsi-kecepatan mesin induksi.

56 Dari kurva karakteristik antara kecepatan dan kopel motor induksi dapat dilihat, jika sebuah motor induksi dikendalikan agar kecepatannya lebih besar daripada kecepatan sinkron oleh penggerak mula, maka arah kopel yang terinduksi akan terbalik dan akan beroperasi sebagai generator. Semakin besar kopel pada penggerak mula, maka akan membesar pula daya listrik yang dihasilkan. Pada gambar karakteristik diatas generator mulai menghasilkan tegangan pada saat putaran rotor (nr) sedikit lebih cepat dari putaran sinkron (ns) mesin induksi tersebut. Pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat pengatur tegangan seperti governor pada generator sinkron. Oleh karena itu tegangan keluaran sangat dipengaruhi oleh beban dan nilai kapasitor. Karena perubahan beban adalah kewenangan konsumen dan di luar kendali produsen tenaga listrik, maka salah satu alternative untuk mengendalikan tegangan adalah dengan mengatur beban (output) generator. Dalam hal ini adalah dengan membuat beban penyeimbang. Prinsip kerja beban penyeimbang adalah dengan cara menjaga agar generator induksi selalu bekerja pada beban yang relative konstan.

57 MCB KELOMPOK BEBAN 1 1/5 FULL LOAD KELOMPOK BEBAN 1/5 FULL LOAD MISG AC KELOMPOK BEBAN 3 1/5 FULL LOAD K1 K K3 KONTAKTOR K1 K K3 R1 R R3 BEBAN PENYEIMBANG Gambar 3.3. Penelitian Untaian Dasar Pengendali Tegangan Beban generator induksi dibagi dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu: 1 Beban konsumen yang merupakan wewenang konsumen dan diluar kendali pihak produsen tenaga listrik beban peneimbang yang dapat distel sesuai dengan peubahan beban konsumen sehingga beban total yang dirasakan oleh generator relative konstan.

58 3.4 KEUNTUNGAN MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR Dalam kenyataan aplikasinya di lapangan, motor induksi tiga phasa sebagai generator memiliki beberapa keuntungan dan juga beberapa ketidakuntungan. Dalam masa yang akan datang diperkirakan motor induksi sebagai generator ini akan segera dihubungkan ke sistem jaringan listrik untuk menyuplai beban konsumen. Disamping karena kebutuhan konsumen akan listrik yang semakin lama semakin meningkat, ada beberapa alasan lain yang mengakibatkan hal ini akan segera terwujud. Beberapa Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator 1. Konstruksinya simpel dan kokoh. Harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia di pasaran. 3. Dapat digunakan dalam semua kategori daya. 4. Tidak membutuhkan penguatan dc 5. Tidak membutuhkan sinkronisasi ketika diparallel dengan system. 6. Tidak mengkonsumsi bahan bakar untuk pembangkitan listrik tetapi memerlukan sumber energi terbarukan seperti angin dan air. 7. Modal investasi masih jarang dan sistem perencanaannya sangat sederhana.

59 Beberapa ketidakuntungan Motor Induksi Sebagai Generator 1. Membutuhkan peralatan luar yaitu kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi.. Effisiensi berkurang. 3. Kehilangan magnetisasi sisa dalam hubung singkat atau beban lebih akan mengakibatkan kehilangan kapasitas start sendiri. 4. Karakteristik perubahan daya sangat sensitif terhadap tegangan, sehingga bisa mengganggu kontinutas pelayanan daya listrik dari generator induksi tersebut.

60 BAB IV ANALISA PENGENDALIAN TEGANGAN PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR 4.1 UMUM Untuk dapat melihat bagaimana perubahan tegangan pada motor induksi tiga phasa sebagai generator akibat setiap penambahan beban, maka diperlukan suatu percobaan pengendalian tegangan motor induksi tiga phasa sebagai generator yang dilakukan di Laboratorium Konversi Energi listrik. Pada percobaan ini, interval tegangan dengan menggunakan pengendali dibatasi menurut Persyaratan Umum Instalasi Listrik 000 (PUIL 000) No , yang mengatakan bahwa susut tegangan antara terminal konsumen dan sembarang titik dari instalasi tidak boleh melebihi atau tidak kurang dari 5% dari tegangan pengenal pada terminal konsumen ( ±5% + 0 Volt). Jadi tegangan yang diijinkan yang akan digunakan adalah berkisar 09 volt s/d 31 volt. Percobaan ini dilakukan pada saat setimbang, dimana beban lampu yang dihubung wye (Y) pada masing-masing phasa setimbang sehingga pengukuran dapat dilakukan dengan mudah. 4. PERALATAN YANG DIGUNAKAN 1. Motor induksi tiga phasa (berfungsi sebagai generator).

61 Tipe : rotor sangkar tupai Spesifikasi : - AEG Typ B AL 90 LA Δ / Y 0/ 380 V ; 6,3 / 3,6 A - 1,5 Kw, cos φ 0, rpm, 50 Hz - Kelas isolasi : B 3. Mesin DC (berfungsi sebagai prime over) Spesifikasi: - G-GEN Typ G1 110/ 140-0V - Arus Jangkar 9,1 A - Arus Medan 0,64 A - Kw rpm, 50 Hz - Kelas Isolasi B 4. Ampermeter 5. Voltmeter 6. wattmeter 7. Beban lampu pijar 8. Tahanan geser 9. Power Supply AC 3 phasa (PTAC) 10. Power Supply DC (PTDC) 11. Timbangan torsi

62 1. Tachometer 4.3 Penentuan Besar kapasitor Besarnya nilai kapasitor yang diperlukan oleh generator adalah sebagai berikut: Apabila kapasitor dirangkai pada motor induksi sebagai generator dengan hubungan delta ( ), P Nom = 1,5 Kw η m = 0,8 Cos Ø=0,8, Ø=36,8 o P Input = 1,5 Kw 0,8 = 1,9 Kw Daya reaktif yang dibutuhkan untuk mesin adalah : Pada saat menjadi motor ; Qm = P 1 tan Ø = 1.9 tan 36,8 o = 1,5 Kvar Pada saat menjadi generator ; Qg = P tan Ø = 1,5 tan 36,8 = 1,1 Kvar Maka Qt = Qm + Qg = 1,5 Kvar + 1,1 Kvar

63 =,6 Kvar C perphasa = C 1phasa = Q 3v π f,6k var = 19,3 μf Maka besar kapasitansi kapasitor (C) yang dibutuhkan tiap phasa pada hubungan delta adalah 0 μf. 4.4 Percobaan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Pada Setiap Perubahan Beban Dengan Pengendali dan tanpa Pengendali Tegangan Percobaan Motor Induksi Sebagai Generator 1. Rangkaian percobaan motor induksi sebagai generator PTDC P T A C 1 Saklar 1 Saklar 4 Sumber Tegangan Dari PLN pengaman -MCB -Sekering P T D C 1 A3 A M dc M ind nr > ns A1 v1 R R R B E B A N Saklar Saklar 3 C K L R S T

64 Gambar 4.1 Rangkaian percobaan motor induksi tiga phasa sebagai generator.. Prosedur percobaan motor induksi sebagai generator a. Motor induksi dikopel dengan motor DC, kemudian rangkaian pengukuran disusun seperti gambar 4.1 b. Seluruh switch dalam keadaan terbuka dan pengatur tegangan dalam posisi minimum, sedangkan posisi beban minimum. c. Switch S1 ditutup, pengatur PTAC1 dinaikkan sampai dengan tegangan nantinya 380 Volt. d. PTDC diatur sehingga penunjukan amperemeter A3 mencapai harga arus penguat nominal motor DC. e. Switch S4 ditutup, pengatur PTDC1 dinaikkan hingga putaran motor dc sama dengan putaran sinkron motor induksi (nr = ns). Hal ini dilakukan bersamaan secara perlahan untuk mengimbangi putaran rotor mesin induksi, sehingga tidak ada pembalikan energi f. Switch S ditutup, hingga kapasitor mencharge dengan sendirinya. Hal ini dibiarkan hingga beberapa menit. g. Pengatur PTAC1 diturunkan dan Switch S1 dilepas, sehingga yang bekerja menyuplai daya ke motor induksi adalah kapasitor. h. Kecepatan putaran motor dc dinaikkan hingga melewati putaran sinkron motor induksi ( nr>ns ). i. Switch S3 ditutup. j. Tegangan yang dihasilkan diatur hingga sesuai dengan yang diinginkan hingga pada beban maksimum.

65 3. Data hasil pengukuran ns = = 10 f p =1500 rpm Ns Nr s Vout (L-L) Pmax , Watt Table..Data percobaan motor induksi sebagai generator 4.4. Percobaan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Dengan Pengendali dan Tanpa Pengendali Tegangan 1. Rangkaian percobaan MCB KELOMPOK BEBAN 1 1/3 FULL LOAD KELOMPOK BEBAN 1/3 FULL LOAD MISG AC KELOMPOK BEBAN 3 1/3 FULL LOAD K1 K K3 KONTAKTOR K1 K K3 R1 R R3 BEBAN PENYEIMBANG

66 Gambar 4. Rangkaian percobaan perubahan tegangan motor induksi tiga phasa sebagai generator dengan menggunakan pengendal Setelah motor induksi bekerja sebagai generator maka setiap perubahan beban akan mempengaruhi besar tegangan sehingga akan mengganggu ke sumber daya listrik. Maka untuk mengantisipasi hal ini digunakan pengendalian tegangan melalui tahanan penyeimbang dalam hal ini adalah dengan menggunakan tahanan geser. Tahanan geser diatur untuk menggantikan daya yang hilang pada kelompok beban dan percobaan ini dilakukan pada saat setimbang.. Prosedur percobaan A. Dengan Menggunakan Penyeimbang a. Sebelumnya tahanan beban diusahakan sama dengan dengan tahanan geser. b. Motor induksi tiga phasa dijalankan sebagai generator seperti percobaan di atas. c. Seluruh switch pada beban dalam keadaan tertutup dan seluruh switch yang berada pada tahanan geser dalam keadaan terbuka. Generator menyuplai daya hanya pada beban lampu yang berada dalam posisi maksimum. d. Konsumsi daya pada sisi konsumen dikurangi 150 w, digantikan oleh pengaturan tahanan geser hingga daya yang diserap tahanan

67 geser sama dengan daya yang dilepas dari sisi konsumen sesuai dengan penunjukan wattmeter. Hal ini dilakukan untuk mengalihkan daya dari kelompok beban ke tahanan geser. e. Konsumsi daya pada sisi konsumen dikurangi 150 w lagi, digantikan oleh pengaturan tahanan geser hingga daya yang diserap tahanan geser sama juga dengan daya yang dilepas dari sisi konsumen. f. Setiap penunjukan alat ukur dicatat. g. Hal ini dilakukan hingga beberapa kali hingga saklar beban minimum dan saklar tahanan geser maksimum. 3. Data hasil pengukuran ns rpm nr rpm s P beban(w) P kendali(w) Vout (L-N) , , , , , Tabel 3. Data percobaan motor induksi sebagai generator dengan menggunakan pengendali B. Tanpa Menggunakan Beban Penyeimbang a. Untuk melihat perubahan tegangan motor induksi tiga phasa tanpa pengendali maka seluruh switch pada beban dalam keadaan tertutup dan seluruh switch yang berada pada tahanan geser dalam keadaan

68 terbuka. Generator menyuplai daya hanya untuk beban lampu yang berada dalam posisi maksimum. b. Konsumsi daya pada sisi konsumen dikurangi 150 w dari dari daya maksimum. c. Hal ini dilakukan terus-menerus hingga daya pada beban konsumen minimum. d. setiap perubahan beban dan tegangan dicatat. e. Percobaan selesai. 4. Data hasil pengukuran ns rpm nr rpm s P Out(Watt) Vout (L-N) , , , , Tabel 4. Data percobaan motor induksi sebagai generator dengan tanpa menggunakan pengendali 4.5 Analisa Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Dengan Menggunakan Pengendali

69 Effisiensi pada saat menggunakan pengendali : P in =1500 watt η = Pout. 100 % Pin 900 =. 100 % 1500 = 60% Gambar4.3 Grafik karakteristik Pbeban Vs tegangan dengan menggunakan pengendali Kurva karakteristik beban terhadap tegangan diatas menggambarkan apabila beban (daya) berubah setiap saat memiliki tegangan yang hampir konstan yaitu sekitar 10 volt-9 volt, hal ini diakibatkan karena adanya beban penyeimbang yang menjaga kestabilan tegangan tersebut. Besarnya persentase susut tegangan yang terjadi pada saat menggunakan pengendali adalah:

70 Persentase susut tegangan = 9v 0V 0v. 100 % = 4,1 % Dari besar perhitungan persentase susut tegangan diatas disimpulkan bahwa tegangan yang ditimbulkan motor induksi sebagai generator dengan menggunakan pengendali masih aman dikonsumsi oleh peralatan listrik rumah tangga sesuai dengan syarat PUIL 000 no.431 yaitu toleransi tegangan untuk peralatan listrik diberi ± 5%. Perhitungan Besar Resistansi Tahanan Pengganti Pada Saat Menggunakan Pengendalian Tegangan Pada saat daya beban konsumen (P)=900watt Daya penyeimbang=0 Pada saat daya beban konsumen (P)=750watt Daya penyeimbang perphasa=150w/3=50 watt P I = Vo I = 50watt 13 = 0,35Amp Maka tahanan pengganti yang dibutuhkan perphasa adalah: P = I R 50watt R = 0,35 = 88 Ω

71 Pada saat daya beban konsumen (P)=600watt Daya penyeimbang perphasa=300w/3=100 watt P I = Vo I = 100watt 15v = 0,465Amp Maka tahanan pengganti yang dibutuhkan perphasa adalah: P = I R 100watt R = 0,465 = 46 Ω Pada saat daya beban konsumen (P)=450watt Daya penyeimbang perphasa=450w/3=150 watt P I= Vo I = 150watt 0v = 0,68Amp Maka tahanan pengganti yang dibutuhkan perphasa adalah: P = I R

72 150watt R = 0,68 = 3 Ω Pada saat daya beban konsumen (P)=300watt Daya penyeimbang perphasa=600w/3=00 watt P I= Vo I = 00watt 5v = 0,888Amp Maka tahanan pengganti yang dibutuhkan perphasa adalah: P = I R 00watt R = 0,888 =5 Ω 4.5. Tanpa Menggunakan Pengendali Effisiensi tanpa menggunakan pengendali Pin=1500 watt Pout (Watt) η 900 0, , , ,3

73 300 0, Tabel.5. Data effisiensi terhadap perubahan daya. Apabila daya keluaran (P Output) pada generator induksi berkurang maka effisiensinya juga berkurang. Besarnya persentase susut tegangan yang terjadi pada saat tanpa pengendali adalah: Persentase susut tegangan = 300v 0v. 100 % 0v = 36 % Gbr 4.4 Grafik karakteristik P beban Vs Vout tanpa menggunakan pengendali tegangan Kurva karakteristik beban terhadap tegangan diatas menggambarkan apabila daya berubah setiap saat mengakibatkan kenaikan tegangan yang sangat jauh yaitu sekitar 10 volt-300 volt dengan susut tegangan 36%. Jika hal ini terjadi pada pihak konsumen maka akan dapat merusak peralatan listrik yang dipergunakan.