BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Mesin Induksi Mesin induksi ialah mesin yang bekerja berdasarkan perbedaan kecepatan putar antara stator dan rotor. Apabila kecepatan putar stator sama dengan kecepatan putar rotor ( = ), maka tidak ada tegangan yang terinduksi baik ke stator maupun ke rotor. Apabila kecepatan putar stator lebih besar daripada kecepatan rotor ( > ), maka tegangan akan terinduksi ke rotor sehingga mesin induksi beroperasi sebagai motor listrik. Apabila kecepatan putar rotor lebih besar daripada kecepatan putar rotor ( > ), maka tegangan akan terinduksi ke stator sehingga mesin induksi akan beroperasi sebagai generator listrik. Perbedaan kecepatan putar antara stator dan rotor dinamakan slip (S). Slip dinyatakan dengan: S = ( - )/ (2.1) Konstruksi Mesin Induksi Mesin induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah udara. Stator adalah bagian yang diam dan rotor adalah bagian yang bergerak dalam bentuk putaran. Celah udara berada diantara stator dan rotor yang merupakan tempat terjadinya proses induksi elektromagnetik. Gambar 2.1 Konstruksi mesin induksi 5

2 Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada Gambar 2.1 baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi sederhananya. Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian konstruksi yang terdapat pada mesin induksi. Stator Gambar 2.2 Konstruksi stator mesin induksi Stator adalah bagian terluar dari mesin yang merupakan gulungan kawat yang disusun sedemikian rupa dan ditempatkan pada alur-alur inti besi. Bagian stator dipisahkan dengan bagian rotor oleh celah udara yang sempit (air gap). Bagian stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat belitan dililitkan yang berbentuk silinder. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas, tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi. Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Kawat belitan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapisi dengan isolasi tipis. Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silinder. Konstruksi stator terdiri dari beberapa bagian yaitu: 1. Rumah stator (rangka stator) 2. Inti stator 3. Alur, dimana alur ini merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan stator). 4. Belitan (kumparan) stator. 6

3 yaitu: Rangka stator mesin induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan 1. Menutupi inti dan kumparannya. 2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan objek atau gangguan udara terbuka (cuaca luar). 3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh karena itu stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan goncangan. 4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan lebih efektif. Rotor Rotor adalah bagian dari mesin induksi yang bergerak dalam bentuk putaran. Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu: 1. Mesin induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage). 2. Mesin induksi dengan rotor belitan (wound rotor). (a) (b) Gambar 2.3 Konstruksi rotor mesin induksi: (a) rotor belitan (b) rotor sangkar 7

4 Rotor sangkar atau rotor kurungan (Squirrel Cage) adalah konstruksi dari inti berlapis dengan konduktor dipasang paralel dengan poros dan mengelilingi permukaan inti. Konduktornya tidak terisolasi dari inti karena arus motor secara alamiah akan mengalir melalui tahanan yang paling kecil yaitu konduktor rotor. Pada setiap ujung rotor, konduktor rotor semuanya dihubung singkat dengan cincin ujung. Konduktor rotor dan cincin ujung serupa dengan sangkar tupai yang berputar sehingga dinamakan demikian. Pada rotor ini terdapat juga alur-alur yang bentuknya lebih dalam daripada alur-alur pada rotor sangkar. Dalam alur-alur terdapat kawat yang dibelitkan pada sebuah rotor dengan hubungan bintang ataupun hubungan segitiga seperti belitan kawat pada stator. Dengan adanya hubungan ini, maka belitan-belitan pada rotor mempunyai tiga ujung. Ujung belitan rotor dihubungkan dengan suatu tahanan awal melalui tiga buah cincin geser yang ada pada poros. Kemudian melalui cincin geser ini ujung-ujung kumparan jangkar dihubungkan dengan tahanan luar atau dihubung singkat. Konstruksi rotor mesin induksi terdiri atas beberapa bagian yaitu: 1. Inti rotor 2. Alur, Alur merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor. 3. Belitan rotor. 4. Poros atau as. Celah udara Diantara stator dan rotor terdapat ruang yang disebut celah udara. Pada celah udara ini tempat berlangsungnya proses pengkonversian energi dalam bentuk induksi elektromagnetis. Celah udara sangat mempengaruhi efesiensi dari mesin induksi. Apabila celah udara besar, maka efisiensinya akan berkurang karena proses induksi listrik membutuhkan energi yang besar. Apabila celah udara sangat kecil, maka akan mengganggu perputaran rotor secara mekanis. Untuk itu celah udara antara stator dan rotor harus diatur sedemikian rupa agar mesin induksi dapat bekerja secara optimum 8

5 Terminal box Terminal box ialah tempat dihubungkannya mesin induksi dengan power suplay (kondisi sebagai motor) atau tempat dihubungkannya mesin induksi dengan beban (kondisi sebagai generator). Kipas rotor Pada saat mesin induksi beroperasi, mesin induksi menghasilkan rugi-rugi yaitu energi yang terbuang dalam bentuk panas. Semakin lama mesin induksi bekerja maka panas yang dihasilkan juga semakin besar. Hal itu akan mengganggu kinerja dari mesin induksi dan dapat menimbulkan kerusakan pada mesin induksi. Untuk itu pada rotor terdapat kipas yang dipasang seporos dengan rotor. Jadi pada saat mesin induksi beroperasi dalam bentuk putaran maka kipaspun akan berputar sehingga kipas dapat mengurangi panas yang ditimbulkan dari mesin induksi Karakteristik Mesin Induksi Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut Gambar 2.4 Grafik kurva karakteristik mesin induksi 9

6 Dari Gambar 2.4 dapat dijelaskan karakteristik dari mesin induksi. Mesin induksi beroperasi sebagai motor atau generator dapat dilihat dari kecepatan rotornya terhadap kecepatan sinkronnya. Kecepatan sinkron ialah kecepatan medan putar yang terjadi pada statornya. Apabila kecepatan mesin induksi lebih kecil dari kecepatan sinkronnya maka mesin induksi akan beroperasi sebagai motor listrik. Pada keadaan ini maka mesin induksi akan mempunyai nilai torsi yang positif sebanding dengan kecepatan motor induksi. Motor induksi dapat berputar sampai kecepatan maksimum mendekati kecepatan sinkronnya dengan nilai torsi yang dihasilkan semakin besar pula. Namun apabila pada kecepatan maksimum mendapatkan bantuan putaran eksternal berupa prime mover sehingga kecepatannya melebihi kecepatan sinkronnya, pada saat itu generator induksi akan beroperasi sebagai generator. Semakin besar torsi yang yang diberikan semakin besar pula daya yang dihasilkan. Torsi maksimum yang dapat diberikan pada generator induksi dinamakan torka pushover. Apabila torsi yang diberikan lebih besar dari torka pushover maka generator induksi akan mengalami overspeed Generator Induksi Generator induksi adalah generator yang mamiliki prinsip kerja hampir sama dengan generator sinkron, hanya saja terdapat perbedaan pada kecepatan putar antara rotor dan stator, dimana rotor yang digerakkan dalam bentuk putaran oleh penggerak mula berputar lebih cepat daripada kecepatan medan putar pada stator ( > ). Gambar 2.5 Prinsip kerja generator induksi 10

7 Prinsip kerja generator induksi dapat dilihat pada Gambar 2.5. Sumber tegangan 3 fasa dipasang pada kumparan stator sehingga menimbulkan arus 3 fasa yang akan menghasilkan medan putar. Penggerak mula dipakai untuk memutar rotor searah dengan medan putar (arah medan putar). Kecepatan rotor (nr) harus lebih besar dari kecepatan medan putar stator (ns) sehingga menghasilkan slip negatif untuk dapat membangkitkan tegangan, maka mesin induksi berfungsi sebagai generator dan energi listrik akan dikembalikan pada sistem jala-jala 2.3. Jenis Generator Induksi Generator induksi tidak dapat membangkitkan tegangan jika tidak mendapatkan suplai daya reaktif untuk eksitasinya. Eksitasi dibutuhkan untuk menghasilkan medan magnet pada kumparan rotor yang nantinya akan menginduksikan tegangan pada stator untuk menghasilkan energi listrik. Selain itu eksitasi juga dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif yang diperlukan generator untuk membangkitkan tegangan listrik. Generator induksi tidak dapat memproduksi daya reaktifnya sendiri, untuk itu generator induksi akan menyerap daya reaktif dari sistem jaringan listrik. Namun, mesin induksi biasanya dioperasikan di daerah terpencil dimana di daerah seperti itu tidak terdapat jaringan listrik. Oleh karena itu, generator induksi harus dapat memenuhi daya reaktifnya sendiri untuk keperluan eksitasinya. Berdasarkan eksitasinya tersebut generator induksi dibagi menjadi dua jenis yaitu: Generator induksi masukan ganda (Double Fed Induction Generator (DFIG)) Eksitasi pada generator induksi masukan ganda didapatkan dari jaringan sistem yang telah terpasang. Generator jenis ini menyerap daya reaktif dari jaringan listrik untuk memenuhi medan magnet yang dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan. Pada terminal generator ini dihubungkan dengan inverter yang untuk selanjutnya akan dihubungkan langsung pada kumparan rotor dari generator. Skema dari generator induksi masukan ganda ditunjukkan pada Gambar

8 Gambar 2.6 Generator induksi masukan ganda Pada Gambar 2.6 ini menunjukkan aplikasi penggunaan generator induksi masukan ganda yang diputar oleh penggerak mula berupa turbin angin. Pada generator jenis ini, digunakan inverter untuk proses eksitasi. Pada inverter ini digunakan dua konverter yaitu konverter AC-DC dan konverter DC-AC. Kedua konverter ini saling terhubung dan dihubungkan dengan sumber arus searah yang didapatkan dari kapasitor. konverter DC-AC (konverter pada sisi jaringan) dihubungkan pada terminal generator yang juga terhubung pada jaringan sistem. konverter ini bekerja pada frekuensi sistem yang berguna untuk menyerap daya reaktif yang dibutuhkan oleh generator. konverter AC-DC (Konverter pada sisi rotor) dihubungkan langsung pada kumparan rotor untuk prosses eksitasinya. Konverter ini berfungsi untuk menyalurkan daya reaktif pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi putaran dari rotor. Proses eksitasi seperti ini, daya reaktid yang dibutuhkan dapat diatur sesuai dengan daya yang akan dibangkitkan. Keuntungan menggunakan generator jenis ini ialah tegangan dan frekuensinya akan tetap besarnya walaupun kecepatan putar penggerak mulanya berubah-ubah. Namun pada generator jenis ini hanya dapat digunakan pada mesin induksi dengan rotor belitan karena eksitasinya dihubungkan langsung pada kumparan rotornya. Hal itu sangat mustahil bila menggunakan mesin induksi dengan rotor sangkar tupai. Sehingga mesin induksi jenis yang lain tidak dapat digunakan untuk generator induksi jenis ini. Generator jenis ini juga harus terhubung dengan sistem dan membutuhkan inverter untuk dapat memenuhi kebutuhan eksitasinya. 12

9 Generator induksi berpenguatan sendiri (Self Excitation Induction Generator (SEIG)) Pada generator induksi berpenguatan sendiri, proses eksitasinya didapatkan dari kapasitor bank yang dihubungkan paralel pada terminal keluarannnya. Skema dari generator induksi berpenguatan sendiri dapat dilihat pada Gambar 2.7. Gambar 2.7 Generator induksi berpenguatan sendiri Dari gambar 2.7 diperlihatkan bahwa kapasitor tiga fasa yang terhubung delta dihubungkan pada terminal keluaran dari generator induksi. Kapasitor ini akan menyalurkan daya reaktif pada generator untuk proses eksitasi. Proses eksitasi yang terhubung pada terminalnya, mesin induksi rotor sangkar dan mesin induksi rotor belitan dapat digunakan untuk generator induksi berpenguatan sendiri. Generator induksi jenis ini dapat beroperasi sendiri tanpa jaringan listrik dan dapat juga beroperasi bersama sistem jaringan listri. Hal ini membuat generator jenis ini lebih fleksibel untuk digunakan. Keuntungan lain dari generator ini ialah harga yang murah, perawatannya yang mudah, desainnya yang sederhana dan proses instalasinya yang tidak rumit. Namun generator jenis ini memiliki kekurangan berupa tegangan keluaran yang tidak stabil pada putaran yang tidak tetap dan pada beban yang berubah-ubah khususnya pada beban induktif. Untuk itu diperlukan adanya pengaturan tegangan untuk menjaga stabilitas dari tegangan keluaran dari generator jenis ini Kelebihan dan Kekurangan Generator Induksi Kelebihan dari generator induksi ialah sebagai berikut: 13

10 a. Ketersediaan Motor induksi dapat ditemukan dengan mudah di pasaran dibandingkan dengan generator sinkron. Motor induksi inilah digunakan sebagai generator induksi dan dalam beberapa kasus, mesin induksi bekas dapat digunakan kembali untuk mengurangi biaya. b. Harga Generator induksi yang dilengkapi dengan kapasitor eksitasinya jauh lebih murah dibandingkan dengan generator sinkron. Khususnya untuk rating daya yang kecil. Contohnya 10 kw generator induksi, harganya hanya setengah dari generator sinkron c. Ketahanan Mesin induksi sangat kuat dan konstruksinya yang simpe. Tidak memerlukan dioda atau slip ring pada rotornya. Kokoh sehingga dapat menahan peristiwa overspeed. Mesin induksi sendiri dapat beroperasi secara kontinu untuk keadaan sesulit apapun. Kekurangan dari generator induksi ialah sebagai berikut: a. Rating tegangan Mesin induksi tidak selalu tersedia dengan tegangan yang diinginkan untuk digunakan sebagai generator. Modifikasi pada koneksi belitannya atau menggulung ulang belitannya diperlukan b. Diperlukan perhitungan Generator dapat langsung digunakan, sementara generator induksi memerlukan kapasitor eksitasi agar dapat beroperasi dan hal itu membutuhkan perhitungan terlebih dahulu untuk dapat menemukan nilai kapasitansi kapasitor eksitasi yang tepat 2.5. Generator Induksi Berpenguatan Sendiri Generator induksi berpenguatan sendiri menggunakan kapasitor bank sebagai penyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk membangkitkan tegangan. Generator induksi berpenguatan sendiri mempunyai cara kerja yang 14

11 hampir sama seperti cara kerja mesin induksi yang beroperasi pada daerah saturasi hanya saja terdapat kapasitor pada terminal Prinsip Kerja Prinsip kerja generator induksi berpenguatan sendiri dapat dijelaskan dengan melihat Gambar 2.7. Seperti yang terlihat pada gambar tersebut, generator induksi menggunakan kapasitor bank menyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator. Kapasitansi dari kapasitor harus sesuai dengan daya reaktif yang dibutuhkan. Besarnya daya reaktif yang dibutuhkan generator dapat ditinjau dari besar arus magnetisasi ( ) untuk proses eksitasi. Arus magnetisasi ( ) yang dibutuhkan dapat dicari dengan mengoperasi mesin induksi sebagai motor induksi pada keadaan tanpa beban dan mengukur tegangan statornya sebagai fungsi tegangan terminal generator. Penentuan nilai kapasitansi minimum yang dibutuhkan generator akan dijelaskan pada bab berikutnya. Kurva magnetisasi mesin induksi ditunjukkan pada gambar 2.8. Kurva magnetisasinya ini menrupakan plot tegangan terminal generator induksi sebagai fungsi arus magnetisasi. Untuk mencapai level tegangan yang diinginkan, maka kapasitor sebagai penyuplai daya reaktifnya harus dapat menyuplai arus magnetisasi yang dibutuhkan pada level tegangan tersebut. Gambar 2.8 Kurva magnetisasi mesin induksi 15

12 Gambar 2.9 Kurva tegangan vs arus pada kapasitor bank Arus reaktif yang dihasilkan oleh sebuah kapasitor berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan padanya, Untuk itu semua kemungkinan kombinasi tegangan dan arus yang melalui kapasitor berupa garis lurus. Jadi kurva tegangan vs arus dari sebuah kapasitor dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.9. Semakin besar kapasitansinya, maka semakin besar pula arus kapasitifnya ( ) pada tegangan yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa (leading) sebesar 90. Gambar 2.10 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri 16

13 Jika sekelompok kapasitor tiga fasa dihubungkan kepada terminal generator induksi, tegangan tanpa beban generator induksi adalah perpotongan kurva magnetisasi generator dengan garis beban kapasitor. Jadi, tegangan keluaran dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan pada Gambar Tegangan terminal tanpa beban generator induksi berpenguatan sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva magnetisasi sebagai fungsi tegangan terminal generator (Gambar 2.8) dan kurva tegangan-arus kapasitor (Gambar 2.9). Perpotongan kedua kurva adalah titik dimana daya reaktif yang dibutuhkan oleh genarator induksi. Dan titik ini juga merupakan besar tegangan yang dibangkitkan oleh generator dalam keadaan tanpa beban. Gambar 2.11 Proses pembangkitan tegangan Proses pembangkitan tegangan dapat dilihat pada Gambar Ketika generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan medan yang ada pada rotor akan membentuk ggl induksi awal ( ) pada belitan stator. Timbulnya ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif kapasitif sebesar. Arus ini merupakan arus magnetisasi yang menghasilkan fluksi celah udara. Fluksi ini kemudian menambah jumlah fluksi yang sudah ada, sehingga kemudian menghasilkan ggl induksi di stator yang lebih besar lagi yaitu sebesar. Tegangan induksi ini akan memicu kembali kapasitor mengalirkan 17

14 arus kapasitif yang semakin besar pula yaitu sebesar, yang kemudian akan menambah jumlah fluksi celah udara, sehingga dihasilkan ggl induksi yang lebih besar lagi yaitu. ini kemudian menghasilkan arus, dan kemudian membentuk ggl induksi. Demikian proses ini berjalan terus sampai akhirnya mencapai titik kesetimbangan E =. Namun proses itu dapat terjadi jika pada kumparan medan generator induksi terdapat magnet sisa. Jika tidak terdapat magnet sisa maka generator induksi harus dioperasikan sebagai motor terlebih dahulu. Ketika mesin induksi dioperasikan sebagai motor, maka mesin induksi akan menginduksikan gaya gerak listrik pada rotor. Gaya gerak listrik yang terinduksi pada rotor akan mengalirkan arus pada kumparan medan sehingga terbentuk medan magnet dan akhirnya motor berputar. Prinsip kerja motor induksi tidak dijelaskan secara detail disini. Ketika motor telah beroperasi, maka kecepatan putar rotor akan lebih kecil dari kecepatan sinkronnya. Pada saat kecepatan motor sudah tinggi maka penggerak mula dinyalakan. Ketika penggerak mula dinyalakan, kecepatan penggerak mula harus lebuh besar dari kecepatan sinkronnya. Pada saat itu pula suplai daya yang diberikan untuk mengoperasikan motor dimatikan, dan pada terminal langsung dihubungkan pada beban. Putaran penggerak mula harus searah dengan arah putaran motor induksi. Ketika suplai daya dimatikan, maka kapasitor akan bekerja untuk menyalurkan daya reaktif dan menjaga kecepatan sinkronnya. Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan tegangan yang ditentukan Rangkaian Ekivalen Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri hampir sama dengan rangkaian ekivalen generator tanpa penguatan, hanya saja ada penambahan kapasitor pada sisi statornya. Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri ditunjukkan pada Gambar

15 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri Dimana: = Resistansi stator = Reaktansi stator = Resistansi rotor = Reaktansi rotor = Reaktansi magnetisasi = Reaktansi kapasitor eksitasi = Slip = Arus stator = Arus beban = Arus magnetisasi V = Tegangan keluaran Dari rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri (Gambar 2.11), hubungan antara tegangan keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada persamaan berikut V = - ( + j ) (2.2) 19

16 = ( + j ) (2.3) = + (2.4) Dimana: V = Tegangan keluaran generator (Volt) = ggl induksi yang dibangkitkan pada sisi stator (Volt) = ggl yang dibangkitkan pada sisi rotor (Volt) = Arus stator (Ampere) 2.6. Kapasitor Eksitasi Dalam proses eksitasinya generator induksi membutuhkan daya reaktif untuk membangkitkan tegangannya. Jika generator induksi terhubung dengan sistem tenaga listrik maka daya reaktif yang dibutuhkan akan disuplai langsung oleh sistem. Tetapi jika generator induksi tidak terhubung dengan sistem atau bekerja sendiri maka generator induksi membutuhkan sumber daya reaktif untuk menyuplai kebutuhan daya reaktifnya. Untuk itu dipasang kapasitor sebagai penyuplai daya reaktifnya yang dipasang pada terminal generator Penggunaan Kapasitor Eksitasi Kapasitor eksitasi dipasang untuk dapat menyuplai daya reaktif yang diperlukan generator induksi. Kapasitor ini dipasang paralel pada terminal keluaran generator induksi. Eksitasi dibutuhkan untuk dapat membangkitkan tegangan listrik. Dengan adanya eksitasi yang mencukupi, juga akan menambah efesiensi dan faktor daya, regulasi tegangan yang kecil dan akan meningkatkan perfomansi dari generator induksi Kapasitansi Minimum Besarnya kapasitansi dari kapasitor eksitasi sangat berpengaruh pada proses pembangkitan tegangan pada generator induksi. Untuk dapat membangkitkan tegangan, nilai dari kapasitor harus lebih besar dari nilai kapasitansi minumum dari generator induksi untuk proses eksitasinya. Apabila 20

17 kapasior yang dipasang lebih kecil dari kapasitansi minimumnya maka tegangan tidak dapat dibangkitkan. Cara menentukan kapasitansi minimum dari generator induksi ialah dengan menggunakan karakteristik magnetisasi dari mesin induksi saat beroperasi sebagai motor induksi. Karakteristik magnetisasi ini didapat dengan mengoperasikan motor induksi pada kondisi beban nol. Pada kondisi beban nol, arus yang mengalir pada kapasitor ( ) akan sama dengan arus magnetisasi ( ). Tegangan (V) yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil = (2.5) = (2.6) = (2.7) Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai reaktansi magnetisasi ( ) dengan memberikan catu tegangan (V) kemudian mengukur besar arus magnetisasinya = (2.8) = = (2.9) Subtitusikan persamaan 2.8 ke dalam persamaan 2.9. = = I = V C = (2.10) Persamaan 2.10 ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila kapasitor eksitasi dihubungkan secara bintang atau star. 21

18 = (2.11) Pada sistem tiga fasa, kapasitor eksitasi dapat dihubungkan secara bintang atau secara delta. Hubungan bintang tidak dianjurkan untuk dihubungkan dengan generator karena hubungan bintang memiliki titik netral yang akan meningkatkan rugi-rugi. Gambar 2.13 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut: = (2.12) = / (2.13) = 3 (2.14) Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut C = (2.15) = (2.16) Subtitusikan persamaan 2.16 pada persamaan 2.14 = 3 22

19 = 3 ( = (2.17) Berdasarkan persamaan-persamaan diatas, kapasitor eksitasi akan lebih baik jika menggunakan hubungan delta. Hal itu dapat dilihat pada persamaan 2.17, jika dihubungkan delta besar kapasitansinya sebesar sepertiga dari besar kapasitansi jika dihubungkan bintang. Dan berdasarkan persamaan 2.12, kapasitor eksitasi apabila dihubungkan dengan hubungan delta maka kapasitor eksitasi dapat beroperasi pada tegangan yang lebih besar Metode Pengaturan Tegangan Generator induksi berpenguatan sendiri memiliki kelemahan berupa tegangan keluarannya yang tidak stabil. Pada generator induksi berpenguatan sendiri tegangan keluarannya dipengaruhi oleh kecepatan penggerak mula memutar generator, beban dan kapasitansi dari kapasitor yang dipasang pada terminalnya. Pada kondisi generator induksi beroperasi pada kecepatan putar dari penggerak mula yang tidak tetap, menyebabkan tegangan keluaran yang dibangkitkan juga tidak tetap. Begitu juga dengan perubahan beban yang bervariasi menyebabkan naik turunnya tegangan, apalagi jika dihubungkan dengan beban induktif, akan mengalami penurunan tegangan yang drastis. Hal itu akan mengurangi kualitas daya yang dihasilkan generator induksi. Untuk itu generator induksi harus dibantu dengan pengaturan daya reaktif untuk mengatur tegangan keluarannya. Penggunaan kapasitor bank saja tidak cukup untuk dapat mengatur tegangan keluarannya. Karena besar kapasitansi yang tetap maka penyaluran daya reaktif dari kapasitor bank juga tetap. Kapasitansi dari kapasitor bank hanya menyalurkan daya reaktif untuk dapat membangkitkan tegangan generator pada saat keadaan tanpa beban. Apabila terjadi perubahan kecepatan putar atau perubahan beban, maka tegangan keluarannya juga ikut berubah. Kekurangan yang terdapat pada kapasitor bank, kemudian dikembangkan beberapa metoode pengaturan tegangan yang dapat mengatur besarnya daya 23

20 reaktif yang dibutuhkan baik pada kondisi normal, perubahan kecepatan putar prenggerak mula, dan perubahan beban. Berikut beberapa metode untuk mengatur tegangan generator induksi Pengaturan tap transformator Tap transformator menggunakan prinsip mengubah rasio dari transformator. Rasio dapat diubah dengan cara mengubah jumlah lilitan pada kumparan transformator. Dengan cara itu tegangan pada sisi sekunder dapat diatur sedemikian rupa sehingga tegangan keluarannya sesuai dengaan tegangan yang diinginkan. Kondensor sinkron Kondensor sinkron ialah motor sinkron yang beroperasi pada keadaan tanpa beban. Pada keadan ini motor sinkron dapat menimbulkan daya reaktif dan bekerja seperti kapasitor. Daya reaktif ini yang digunakan sebagai eksitasi sekaligus sebagai pengaturan tegangannya, karena daya reaktif yang dihasilkan besarnya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Static var compensator (SVC) Static var compensator (SVC) terdiri dari thyristor, reaktor, dan kapasitor. Kapasitor nilainya tetap dan dapat digunakan sebagai daya reaktif untuk membangkitkan tegangan pada kondisi tanpa beban. Pada saat terjadi perubahan tegangan, maka reaktor yang akan menyalurkan daya reaktif yang besarnya diatur dengan thyristor. Thyristor diatur sudut penyalaannya sedemikian rupa sehingga dapat menyalurkan daya reaktif yang sesuai besarnya sehingga dapat mengatur tegangan yang diinginkan. Konverter AC-DC-AC Konverter ini terdiri dari penyearah AC-DC yang berfungsi sebagai penyearah arus bolak-balik menjadi arus searah dan kemudian diubah kembali menjadi arus bolak-balik menggunakan inverter DC-AC. Pada saat berada pada tegangan DC ini, tegangan diatur dengan menggunakan pengaturan tegangan 24

21 elekronika daya sehingga pada saat dikonversikan kembali ke tegangan AC, tegangan keluarannya sesuai dengan tegangan yang diinginkan. Static synchronous compensator (STATCOM) Static synchronous compensator (STATCOM) adalah alat yang digunakan untuk mengkompensasi daya reaktif yang dihubungkan paralel dengan sistem. STATCOM dapat membangkitkan dan atau menyerap daya reaktif dan keluarannya dapat bervariasi untuk mengontrol spesifikasi parameter dari sistem daya listrik. Apabila tegangan lebih rendah daripada tegangan nominal sistem maka STATCOM akan membangkitkan daya reaktif, pada keadaan ini maka STATCOM bersifat kapasitif. Apabila tegangan lebih tinggi daripada tegangan nominal sistem maka STATCOM akan menyerap daya reaktif, pada keadaan ini maka STATCOM bersifat induktif. Dari beberapa metode pengaturan tegangan generator induksi berpenguatan sendiri yang telah dijelaskan, penulis menggunakan metode pengaturan tegangan dengan menggunakan Static synchronous compensator (STATCOM). STATCOM digunakan karena STATCOM merupakan metode terbaru dari beberapa metode yang telah dijelaskan diatas. Metode ini dapat menjaga tegangan tetap stabil, baik itu pada saat tegangan turun dan tegangan naik melebihi tegangan nominal. Metode pengaturan ini yang akan diaplikasikan pada simulasi generator induksi berpenguatan sendiri Static Synchronous Compensator (STATCOM) Static synchronous compensator (STATCOM) merupakan salah satu shunt device dari Flexibel AC Transmission System (FACTS) yang terdiri dari peralatan elektronika daya yang dapat mengatur aliran daya dan meningkat stabilitas transient sistem daya. STATCOM dapat mengkompensasi daya reaktif dengan cara menyuplai dan atau menyerap daya reaktif untuk mengontrol tegangan agar tetap stabil. Apabila tegangan lebih rendah dari tegangan nominal sistem, maka STATCOM akan menyuplai daya reaktif. Apabila tegangan lebih tinggi daripada tegangan nominal sistem maka STATCOM aka menyerap daya reaktif. 25

22 STATCOM terdiri dari beberapa bagian yaitu Voltage Source Converter (VSC), kapsitor DC, dan sistem kontrol. VSC ialah peralatan konverter elektronika daya yang berguna untuk mengkonversi tegangan masukan DC menjadi tegangan keluaran AC. Kapasitor DC berguna sebagai sumber tegangan untuk sistem kontrol STATCOM dan sebagai penyimpan energi (pada saat menyerap daya reaktif) dan sumber daya (pada saat menyuplai daya reaktif). Sistem kontrol berguna untuk mendeteksi arus dan tegangan pada sistem dan akan mengirimkan sinyal kepada VSC untuk menyuplai atau menyerap daya reaktif apabila terjadi perubahan tegangan Prinsip Kerja Gambar 2.14 Struktur dasar sistem STATCOM Prinsip kerja dari STATCOM dapat dilihat pada Gambar Pengontrolan STATCOM diatur oleh sistem kontrol, dimana pada sistem kontrol menerima masukan dari tegangan dan arus sistem, dan tegangan dan arus STATCOM. pada sistem kontrol diatur besar tegangan normal dari sistem dan akan mengatur tegangan keluarannya sefasa dengan tegangan sistem dan. Pada kondisi normal, tegangan pada VSC dan sistem sama. Apabila terjadi perubahan tegangan yang terjadi pada sistem, maka sistem kontrol akan mengirimkan sinyal pada VSC untuk mengatur besarnya daya reaktif yang akan disuplai atau diserap. Pada saat tegangan sistem lebih besar dari tegangan VSC maka STATCOM akan 26

23 menyerap daya reaktif dari sistem. Pada saat tegangan sistem lebih kecil dari tegangan VSC maka STATCOM akan menyuplai daya reaktif ke sistem Karakteristrik V-I Gambar 2.15 Karakteristik V-I STATCOM Pada keadaan steady state karakteristrik kontrol dari STATCOM ditunjukkan pada Gambar Rugi-rugi dari STATCOM diabaikan dan arus yang mengalir pada STATCOM ( ) dianggap arus reaktif murni. Arus negatif menandakan STATCOM sedang menyalurkan daya reaktif dan beroperasi pada keadaan kapasitif. Sedangkan arus positif menandakan STATCOM menyerap daya reaktif dan beroperasi pada keadaan induktif. Pada keadaan normal, tegangan STATCOM ( ) dan tegangan referensi ( ) besarnya sama dan sefasa. Apabila terjadi perubahan tegangan referensi, maka akan terjadi pertukaran daya reaktif. Batas maksimum arus kapasitif dan induktif adalah simetris (, ). Slope BC pada karakteristik V-I untuk mencegah STATCOM mencapai batas terlalu sering dan untuk memungkinkan operasi palalel pada dua atau lebih unit Voltage Source Converter (VSC) Voltage Source Converter (VSC) adalah bangunan utama dari STATCOM dan peralatan FACTS lainnya. VSC adalah komponen elektronika daya yang dapat diatur proses penyaklarannya sehingga tujuan yang diinginkan. Tujuan utama VSC yaitu membangkitkan tegangan sinusoidal AC dari tegangan DC, oleh karena itu VSC disebut konverter DC-AC atau inverter. VSC harus dapat 27

24 membangkitkan tegangan AC dengan magnitudo dan frekuensi yang dinginkan. Variasi magnitudo dan frekuensi dapat diatur dan dikontrol sesuai dengan yang diinginkan. Terdapat dua teknologi pada VSC yaitu: VSC berdasarkan penggunaan square-wave inverters GTO dan hubungan transformator spesial. Pada umumnya three-level inverter empat tingkat digunakan untuk membangun suatu bentuk gelombang tegangan 48-step. Interkoneksi spesial transformator digunakan untuk menetralkan harmonik yang terdapat didalam gelombang persegi yang dibangkitkan oleh individu inverter. Pada VSC jenis ini, komponen fundamental tegangan adalah proporsional terhadap. Oleh karena itu tegangan harus bervariasi untuk mengontrol daya reaktif. VSC berdasarkan penggunaan PWM inverte IGTB. Inverter jenis ini menggunakan teknik Pulse Width Modulation (PWM) untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal dari sebuah sumber tegangan DC. Tegangan divariasikan dengan mengubah indeks modulasi dari PWM modulator Sistem Kontrol STATCOM Sistem kontrol digunakan untuk memberikan sinyal pada VSC yang akan mengatur besarnya daya reaktif yang akan disalurkan atau diserap oleh STATCOM. Sistem kontrol juga akan menjaga tegangan VSC agar sefasa dengan tegangan sistem. Sistem kontrol pada STATCOM ditunjukkan pada Gambar Gambar 2.16 Diagram garis STATCOM dan diagram blok sistem kontrolnya 28

25 Sistem kontrol pada STATCOM terdiri atas : 1. Sistem pengukuran Sistem pengukuran terdiri dari pengukuran tegangan AC, pengukuran tegangan DC, pengukuran arus. Sistem pengukuran berguna untuk mengukur komponen d (direct axis) dan komponen q (quadrature axis) dari arus dan tegangan urutan positif untuk yang akan dikontrol sebagaimana tegangan DC 2. Phase Locked Loop (PLL). PLL digunakan untuk menyinkronkan komponen urutan positif dari tegangan tiga fasa sistem yang menggunakan sistem abc agar dapat beroperasi pada sistem kontrol yang menggunakan sistem dq0. Keluaran dari PLL ( = ) digunakan untuk perhitungan komponen direct axis dan komponen quadrature axis yang dari arus dan tegangan AC tiga fasa (pada gambar dilambangkan sebagai,, dan ). 3. Regulator tegangan AC. Keluaran dari regulator tegangan AC ialah tegangan terukur dan tegangan referensi. yang didapat dari perhitungan ini kemudian akan digunakan oleh regulator arus ( adalah arus dalam qudrature dengan tegangan yang mengontrol aliran daya reaktif) 4. Regulator tegangan DC. Keluaran dari regulator tegangan DC ialah tegangan terukur dan tegangan referensi. yang didapat dari perhitungan ini kemudian akan digunakan oleh regulator arus ( adalah arus yang sefasa dengan tegangan untuk mengatur aliran daya aktif) 5. Regulator arus. Regulator arus mengontrol magnitude dan fase dari tegangan yang akan dibangkitkan oleh PWM (, ) dari arus referensi yang dihasilkan oleh regulator tegangan AC dan regulator tegangan DC. Regulator dinilai oleh regulator tipe feed forward yang memprediksi tegangan keluaran ( dan ) dari pengukuran. 29

26 6. Pulse Width Modulation (PWM) modulator PWM berguna untuk menghasilkan magnitude dan fase tegangan dari komponen tegangan dan dalam bentuk pulse yang akan dikirimkan ke VSC untuk proses pensaklaran pada VSC sehingga dibangkitkan tegangan AC tiga fasa. 30