ANALISIS MESIN INDUKSI TIGA FASA DENGAN KOMPENSASI TEGANGAN. Edy Ervianto dan Suwitno ABSTRAK. Pada paper ini, diusulkan suatu bentuk

Transkripsi

1 JURNAL PENELTAN X (2): 1-6 (2004) rssn ANALSS MESN NDUKS TGA FASA DENGAN KOMPENSAS TEGANGAN Edy Ervianto dan Suwitno Staf Pengajar Fakutas teknik Universitas Riau, Pekanbaru ABSTRAK Mesin induksi adaah suatu mesin yang kokoh, biaya pemeiharaan murah, dan harga investasinya ebih murah dibanding jenis mesin-mesin ainnya. Untuk dapat digunakan sebagai generaor dibutuhkan kapasitor yang ditempatkan pada termina stator sebagai penghasi fuksi magnetisasi. Daam penentuan niai kapasitor ini niai reaktansi kapasitor yang diberikan harus ebih besar dari niai reaktansi magetisasi mesin induksi tersebut Namun kenyataan tegangan keuaran generator induksi turun sangat dratis, bia diberi beban yang meningkat, untuk menangguangi ha tersebut diakukan usaha kompensasi tegangan keuaran yang ditempatkan secara seri disisi stator. Paper ini menyajikan anaisis kompensasi tegangan keuaran dengan menempatkan suatu kapasitor yang dihubungkan seri disisi beban dengan menggunakan metode impendasi oop. Untuk meihat vaiditas metode yang diusukan, diakukan pengukuran respon tegangan generator induksi saat diberi beban resistansi 1 10 ohm serta diberi kompensasi kapasitor 22 pfdiperoeh tegangan beban sebesar 264 Vot dengan reguasi tegangan 2,2 o/o. Dengan kata ain bahwa anaisis yang diajukan adaah cukup vaid. Kata kunci kompensasi, reguasitegangan, vaiditas, magnetisasi, kapasitor Pada paper ini, diusukan suatu bentuk PENDAHULUAN konfigurasi rangkaian mesin induksi tiga fasa Mesin induksi pada prinsipnya dapat digunakan untuk generator dengan kecepatan penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan meaui penempatan kapasitor yang putaran yang bervariasi, sebagai masukan dan keuarannya berupa sumber istrik boak- dihubungkan secara seri pada sisi beban. Anaisis diakukan dengan menggunakan remanensi pada mesin induksi harus diakukan usaha pemberian tegangan awa yaitu dengan memberikan kapasitor yang dihubungkan pada dibebani, terjadinya penurunan tegangan keuaran secara dratis atau tegangan akan baik. Namun pada mesin induksi tidak terdapat remanensi sebagai pembangkit tegangan awa. Untuk dapat membangkitkan termina stator mesin. Kapasitor berfungsi sebagai pembangkit daya reaktif untuk menghasikan fuksi magnetisasi pada ceah udara (Bim ef a/., 1989; Maik and Mazi, 1986). Bim ef a/. (1989) teah mengemukakan suatu konfigurasi rangkaian mesin induksi tiga fasa penguatan sendiri dengan kompensasi tegangan keuaran yang ditempatkan kapasitor secara seri disisi stator, dan anaisisnya menggunakan rangkaian ekivaen perfasa dengan metoda impedansi oop. Mesin induksi yang digunakan adaah 3 fasa, 4 kutub, 60 Hz, 3HP, 22OV (hubungan deta) dan diperoeh tegangan beban sebesar 115 vot dengan reguasi tegangan diatas 4 %. Hasi anaisis kinerja keadaan mantap mesin induksi dengan beban statis yang teah diakukan oeh Chan (1984) ternyata tegangan keuaran mesin turun sangat dratis, bia diberi beban meningkat, dan reguasi tegangan yang terjadi 30 o/o. rangkaian ekivaen per fasa dengan metoda impedansi oop. Permasaahan pada mesin induksi saat hiang dengan tiba{iba bia beban bertambah. Penurunan tegangan ini teriadi karena arus eksitasi menjadi keci yang disebabkan oeh penurunanan tegangan termina. Oeh sebab itu peru didisain untuk konfigurasi rangkaian yang menghasikan tegangan maksimum dan reguasi tegangan yang rendah. Tujuan paper ini adaah menganaisis effektifitas, menguji vaiditas dan mendisain konfigurasi rangkaian mesin induksi tiga fasa yang efisien, sehingga penempatan kapasitor dapat mengkompensasi tegangan dan dihasikan reguasi tegangan sekeci mungkin. de Dasar Kompensasi Tegangan Gambar 1a, dibawah ini memperihatkan proses penguatan pada generator induksi sehingga diperoeh tegangan keuaran yang didinginkan tepatnya seperti tegangan pada riik A. Kemudian generator induksi diberi beban, namun pemberian beban ini menyebabkan terjadinya pengurangan arus eksitasi dan

2 ", JURNAL PFNELTTTAN Xit (2) 1,6 {200.r) penurunan tegangan keuaran sebesar AV seperti ditunjukkan pada titik B. yaitu tegangan tanpa beban (Vr) turun menjadi V2 seteah dibebani. Untuk menghiangkan pengaruh penurunan tegangan diakukan penambahan tegangan kompensasi sebesar AVh yang besarnya +AV meaui penempatan kapasitor seperti diperihatkan pada Gambar 1b. Kompensasi tegangan sebesar AVh, diharapkan generator induksi terbebas dari penurunan tegangan dan penurunan arus eksitasi yang besar. Cara yang dikemukakan pada paper ini adaah mengkompensasi penurunan tegangan sebesar AV akibat penambahan beban dengan menggunakan kapasitor yang diserikan di sisi beban. rfi Beban nfuktif zt,.:- Beban nq,t : * R' (a),r/ m T" \ \1r i Beban no Beban Kaoasitif Gambar 1 Tegangan keuaran generator induksi [V] sebagai fungsi arus eksitasi [r] Anaisis Mesin nduksi Penguatan Sendiri diengkapi dengan Kompensasi Tegangan Untuk menentukan kinerja mesin induksi saat menghasikan tegangan di sisi stator, maka diakukan anaisis konstruksi rangkaian (Gambar 2) r /-o-dt f+9 / "r.-!" ' ix- F,,r B r t Kstasdd kmf.nsasr rlr-[ Kmparan siad Kapasiq eksdssr Bdan Gambar 2. Rangkaian mesin induksi hubungan kompensasi disisi beban Untuk memudahkan daam penentuan perumusan mesin-mesin istrik yang drgunakan, maka bentuk fisik mesin istrik pada gambar 2 di atas dapat disederhanakan ke daam bentuk rangkaian ekivaen perfasa seperti ditunjukan Gambar 3 dibawah ini. a ixr -. 1o,..- t.. ixt t ''1 Gambar 3 Rangkaian ekivaen per fasa mesin induksi hubungan kompensasi disisi beban f) f Keterangan Gambar 3: (0, - C)- s= ' --- :sip,, cd. arus beban, a. = 2nf.: kecepatan sudut stator, o, - 21F,: kecepatan sudut rotor, f, : frekuensi stator, f, : frekuensi rotor, Rr : tahanan stator, R2 : tahanan rotor, Xr : reaktansi bocor stator, X2 : reaktansi bocor rotor, X1 : reaktansi bocor beban, X" : reaktansi kapasitif shunt, X. : reaktansi magnetisasi, 11 : arus stator V1. tegangan beban, E1 : tegangan induksi pada ceah udara, X". : reaktansi kapasitif seri Dari rangkaian ekivaen, dapat diturunkan persamaan reaktansi minimum (}") yang dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan generator pada kondisi beban no dan reaktansi minimum (X"") yang digunakan untuk mengkompensasi penurunan tegangan pada saat dibebani Adapun anaisis yang diakukan menggunakan metode impedansi oop seperti yang diajukan oeh E. Bim. Loop ABCD dari rangkaran ekivaen dapat diperoeh perumusan sebagai berikut : 1..(2.,.+7.,, +7,,.,\: (1).. 'R,.. ).\,,, r.a.] Z,-- ''.-'--1, 2."= R, +-ix,, dan -Jh R'... r(r,x_) z r ix,(r, r i(x, + X..) R, - (\r x. x..) Dengan mensubsitusikan parameter 2.6, Z^", dan (6 kepersamaan (1) maka diperoeh perumusan untuk reaktansi kapasitor minimum daam mengkompensasi tegangan akibat diberi beban.

3 ERVANTO DAN SUWTNO:ANAL S S MESTN NDUKS TGA FASA dengan tn K, =x - "'((R, R,),x.,,)rx,(X, *x,,,) s (2) Berdasarkan EEE Standard Test Procedure, diperoeh parameter reaktansi magnetisasi (Xr) sebagai berikut:, ^-\ X. = r/tzn"'-r,')-x,.(6) *. = ", [!,{o. * Ar + x,(x. r x,, )) 'L s s pp K,, ':itr(x., X,, )r R,R, (X- X,,, s Sehingga untuk mengkompensasi penurunan tegangan akibat dibebanr dibuuhkan kapasitor minimum seperti perumusan dibawah ini: x.(x,rxnr) R'(R, 'xn') ccs,.., '- -- (3) r,o(k,_k,_k,) Untuk kebutuhan niai kapasitor minimum guna membangkitkan tegangan eksitasi dapat diakukan dari anaisis ranokatan beban no seperti Gambar 4: R Sehingga tegangan yang dibangkitkan generator induksi adaah. '.7- :\ f '. -. i,t\2," & X,.'n, (7) '/ Zu, Untuk menentukan niai reaktansi magnetrsasi, masih dibutuhkan pengukuran hubung singkat guna menentukan reaktansi stator (X1) Pada pengukuran hubung singkat terukur besaran tegangan hubung singkat, arus hubung singkat, dan daya hubung srngkat, sehingga harga tahanan dan reaktansi bocor ekivaen Dari kedua parameter dapat ditentukan niar tahanan rotor dan reaktansi bocor stator serta reaktansi rotor. Rangkaian pengganti daam keadaan hubung singkat ditunjuikan pada gambar 5 dibawah ini: Gambar 4 Rangkaian ekivaen gerarator rnduksr tanpa beban Jumah oop reaktansi tertutup pada rangkaian ekivaen Gambar 4diatas, adaah.ix, +.ix,,, --ix" =0 Sehingga diperoeh niai reakansi kapasitor munimum sebagai berikut: X.-X,+X",. (4) Jadi untuk membangkitkan tegangan mua saat beban no dibutuhkan niai kapasitor eksitasi minimum seperti dibawah ini. ('c,,,iu,.un' = ;1a ];.*' t Dari persamaan (5) harga kapasitor yang akan digunakan untuk proses eksitasi sebagai pembangkit fuksi sisa daam proses membangkitkan tegangan generator induksi, diperukan niai parameter reaktansi magnetisasi (Xr)dari mesin induksi tersebut. Gambar 5. Rangkaian ekivaen generator induksi daam keadaan hubung singkat. Dari gambar 5 diperoeh reaktansi hubung singkat 'r-.-.. Xn. = {2,,"'- Rn"'.... (8) p dengan R,* =,tni.dan 7n =\ h,' "' n* Berdasarkan persarnaan reaktansi hubung singkat diatas diperoeh niai reaktansi stator (X1) dan reaktansi rotor (X2) sebagai berikut. \1 X,-X,-"h" z dan tahanan rotor adaah : p - h.' (e) Rr=*-R,.... (10)

4 JURNAL PENELTAN X (2): 1-6 (2004) Reaktansi magnetisasi generator induksi diperoeh dari kurva magnetisasi dari generator. Kurva magnetisasi diperoeh dari pengukuran karakteristik magnetisasi, seperti pada Gambar 6 dibawah ini: Gambar 6. Rangkaian percobaan menentukan kurva magnetisasi. Untuk memperoeh kurva magnetisasi: Putar motor dc pada kecepatan sinkron, seama peaksanaan pengukuran putaran drjaga konstan, seanjutnya tegangan ac diatur secara bertahap. Tujuan percobaan ini untuk memperoeh harga niai arus magnetisasi (A) dan tegangan (V) seperti ditunjukkan pada gambar 6 diatas. Penentuan niai reaktansi magnetisasi diakukan dengan cara mencari niai arus magnetisasi pada tegangan nomina mesin (22O Vo per fasa). Dari data percobaan ini atau dan kurva magnetisasi didapat niai arus magnetisasi yang diinginkan. Dari rangkaian ekivaen Gambar 3, dapat ditentukan perumusan arus dan tegangan beban beserta reguasr tegangan generator. Arus stator adaah rt\= E "'' ,., fn, -(x..-x,(-lx) K, +t.\ +' (11) &-i\.+\-x) F -1,(R, + i\,) Arusbeban(1, ): ''t ',--: -:-' (12) R. - 1(X.. - \, ) Tegangan beban adaah (V,):1,(R,+jX, ) (13) Reguasi tegangan adaah. /,t' \ ','! 't (,,,, = (14) L',, dengan Vr.rr = tegangan tanpa beban dan Vp1 = tegangan beban penuh Sehingga dengan menganaisis persamaan (1) sampai dengan persamaan (14) besera konfigurasi rangkaian yang diajukan, dapat digunakan untuk mendisain mesin induksi tiga fasa yang dapat mengkompensasi penurunan tegangan yang diakibatkan dibebani METODE PENELTAN Untuk menguji mesin induksi sebagai pembangkit sumber istrik, diakukan dengan merancang mesin induksi untuk dapat membangkitkan sumber tegangan meaui penempatan suatu kapasitor sebagai pembangkit tegangan awa saat dijaankan. Kapasitor disini digunakan sebagai piranti unuk menghasikan fuksi sisa awa yang disebut sebagai remanensi. Kapasitor yang dihubungkan pada termina stator menyebabkan suatu rangkaian tertutup antara kapasitor dengan reakansi generator yang membentuk rangkaian resonansi. Tegangan induksi yang dirasakan distator akan menimbukan arus yang mengisi kapasitor sampai terjadi kesimbangan antara reaktansi kapasitor dengan reaktansi generator Keseimbangan terjadi pada titik pertemuan di antara garis engkungan magnetisasi dengan reaktansi kapasitor. Dan meakukan kompensasi penurunan tegangan akibat generator saat dibebani, meaui penempatan kapasitor disisi beban. Memodekan bentuk fisik mesin induksi ke daam bentuk rangkaian ekivaen. Bentuk fisik mesin induksi merupakan mesin tiga fasa yang akan dimodekan ke daam rangkaian ekivaen perfasa. Menentukan kurva magnetisasi, yang diperoeh dengan meakukan pengukuran pada generator sebagai pembangkit tegangan. Pengukuran diakukan dengan memutar mesin induksi dengan kecepatan sinkron, yaitu menjaga agar putaran tetap konstan seama meakukan pengukuran. Kemudian mengatur tegangan boak baik yang dipasang pada termina generator secara bertahap dan tegangan serta arus yang tercaca pada aat ukur dicatat. Mengui anaisis yang diajukan di aboratorium. HASL DAN PEMBAHASAN Anaisis menggunakan suatu mesin induksi tiga fasa rotor sangkar yang mempunyai tegangan Vot, putaran (n) 1500 rpm, tahanan stator Rr =0,538 C2, dan arus jangkar (1") = 1 Ampere. Berdasarkan test beban no diperoeh parameter- parameter sebagai berikut.tegangan beban no (Vun) =233,8 Vot, Arus beban no (16") =0,197 A, daya beban no (P6'.') = 35,33 Watt, dan cos $ = 9,77. Sehingga admitansinya adaah.,. h,, (, = = = o-426xg-a pfis, dan ro, 233.9

5 ERVANTO DAN SUWTNO ANALSS MESN NDUKS TGA FASA reaktansi magnetrsasi (X.) sebagai berikut' = 1860C) '' ^' Y.,\in(cos t 0.77 y Dari persamaan (5), dapat ditentukan nrai kapasitansi minimum yang harus diberikan sebagai remanensi mesin induksi. Jadi besaran niai kapasitansi yang dibutuhkan adaah (' 'n'n 2rx5ox( 8(ro, ) Generator dibebani seteah generaor berjaan norma 0,0695 detik. Pada saat mesin induksi diberi beban maka tegangan yang dihasikan mesin induksi turun dengan dratis hingga turun sampai 110 Vot (Gambar B). 400? S_ 2oo Geombang tegangan mesin induksi keika proses berpenguatan ('.,,, =.(r1tf c Dari hasi percobaan kuva magnetisasi diperoeh data sebagai berikut Hasi Pengqkuran m Von (ma) (Vot) Z (ohm) Hasii Perhitungan x. ( ohm) E (Vot) , ,8 410, , , , , !91 15s,s!e 329,48 3L!39_ Dari tabe magnetisasi diatas niai reaktansi minimum untuk mencapai tegangan nomina (X.) = 329,48 ohm atau niai kapasitas magnetisasi minima (C,n) = 9,66 prf Sehingga kapasitansi kapasitor yang digunakan daam proses penguatan digunakan 12 pf, dan besar nai 12 pf mudah diperoeh dipasaran. Daam paper ini diakukan pengukuran respon tegangan mesin induksi tiga fasa rotor sangkar ketika proses berpenguatan, pengukuran respon tegangan ketika dihubungkan beban resistans (R) = 110 ohm, dan proses pemberian beban disertai kompensasi kapasitor ( C ) = 22 ytf, dengan memakai aat ukur oscioscooe HAMEG. Kemudian hasi pengukuran diedit dengan menggunakan software EXCEL Versi 51. Adapun respon pembangkitan tegangan berpenguatan sendiri pada mesin induksi tiga fasa seperti pada Gambar 7 Tegangan akhir yang diperoeh pada proses berpenguatan adaah 270 Vot. Seteah tegangan mencapai harga 270 Vot tersebut, seanjutnya mesin induksi tiga fasa diberi beban resistansi sebesar 110 ohm Waktu (xo.0oo1detik) Gambar 7 Respon tegangan generator rnduksi tiga fasa ketika proses berpenguaan C 500 c; n 6'- F -500 Geomb ng tegang n nresin induksi ketka dihubungkan dengan beban resistansi Gambar 8. Respon tegangan mesin induksi ketika dihubungkan dengan beban resitive 110 ohm. Untuk menangguangi jatuh tegangan yang terjadi mesin tersebut dikompensasi dengan penambahan kapasistor disisi beban. Berdasarkan data pengukuran hubung singkat maka diperoeh data-data sebagai berikut : Tegangan hubung singkat (Vn") = 217 Vo, arus hubung singkat (16") = 0,76 Ampere, dan daya hubung singkat (Pro) = 67,1 Watt. Dari data tersebut dapat ditentukan niai parameter mesin istrik tahanan dan reaktans, dan impendansnya P 67.1 R,,. = \- '" - = 16.17f2, r h ,. \i* 2t7 Zn. "- = _i' n u1ffi = 285,53O, dan Xn. : trzr"' - Rn.' : 260,83 C) Berdasarkan parameter reaktansi tersebut diperoeh reaktansi untuk beitan stator (X1) dan rotor (X2) yang masing-masing niai setengah dari niai reaktansi hubung singkat : x. 260 R X, = X.: --\ = -""*- = O. 22

6 JURNAL PENELTAN X (2): 1{ (2004) menenukan niai parameter tahanan rotor (R2) p adaah R, - = -5- R,, sehingga n*" 67 1 R, = - Q_ 0.539Q = 15.63f) ' 4,7 6' Hasi pengukuran di aboratorium dan anaisis yang diakukan parameter mesinmesin istrik diperoeh sebagai berikut. R1 = 0,538 ohm, Rz = 115,63 ohm, Xr = 130,4'15 ohm, X2= 130,415 ohm, )G= 265,26 ohm, R1 = 110 ohm, Xr= 0 ohm, co = 100 n rad/detik, s=0,8 Dari data-data diatas dan berdasar persamaan (3), maka niai kapasitor yang harus diberikan untuk kompensasi jatuh tegangan akibat di bebani, adaah (C"","in)= 22 pf. Respon tegangan keuaran saat diberi beban dan kompensasi dapat diperihatkan pada Gambar 9 dibawah ini: 300 9c 200 i s 409 'F f io8 2 o -2oo -300 Respon tegangan mesin induksi ketika dibebani dan diberi kompensasi q;aktu (x 10 4 detik) Gambar 9. Respon tegangan mesin induksi tiga fasa ketika dihubingkan beban resistans (R) = 110Q dan ditambah kompensasi kapasitor C=22pF Gambar 9 menunjukkan respon tegangan mesin induksi ketika mesin berjaan tanpa beban yaitu tegangan 270 Vot, kemudian seteah 0,2208 detik diberi beban 110 ohm dan kompensasi kapasitor 22 pf sehingga tegangan keuaran menjadi 264 Vot. KESMPULAN Hasi anaisis perhitungan dengan menggunakan rumus-rumus berdasarkan anaisis yang teah diajukan daam peneitian ini, menunjukkan hasi yang memuaskan. Ha ini dapat ditunjukkan dari hasi pengukuran di aboratorium yang menghasikan tegangan keuaran ketika proses berpengua{an mencapai tegangan 27O Vo. Demikian juga hanya kompensasi yang diberikan saat mesin dibebani, menunjukkan hasi yang memuaskan, karena ketika beum diberi kompensasi, diperoeh tegangan beban 110 Vot dan reguasi tegangan 59,3 oa, sedangkan seteah diberi kompensasi kapasitor sebesar 22 pf, diperoeh tegangan beban 2M Vot dan reguasi tegangan 2,2 o/o. Dengan kata ain dapat dikatakan bahwa anaisis yang diajukan adaah cukup vaid. UCAPAN TERMA KASH Saya ucapkan terima kasih kepada pihak Universitas Riau yang teah memberikan bantuan Dana Rutin, atas teraksanakan peneitian ini. DAFTAR PUSTAKA Bim, E, J.Szajnar and Y. Burian Votage Compensation of an induction generator with ong short connsction. EEE Trans. On Energy Conversion Vo. EC-4 No. 3 September Maik, N.H, and A. A. Mazi Capacitance Requirement For soated Set Exicitd induction generator. EEE Trans. On Energy Conversion Vo. EC-1 No. 3 September Muthy, S.S O P. Maik and A.K. Tandom, Anaysis of sef-exicited induction generator. Proceeding of EEE Vo. 129 Part C No. 6 November Chan, T.F Stedy State Anaysis of Sef Exiticed nduction Generator. EEE Trans. On Energy Conversion Vo. 9 No. 2 Seotember 1994 EEE Standard Test Procedure for Poyphase nduction Motors and Generator New York Semon, G.R Eectric Machines and Drives. University of Toronto. Krause. P C. '1989 Eectromechanica Motion Devices. Krause, P.C Anaysis of Eectric Machinery.