Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri

Transkripsi

1 Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri F. Danang Wijaya1, Yusuf Susilo W1, Kevin Dito G.2 dan M Isnaeni BS1 1 Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM ; danang@te.ugm.ac.id 2 Abstract Indonesia is an archipelago country which is located in tropical area. It has many renewable energy resources such as water and wind. These resources are scaterred around the country. These renewable energy resources can be conversed into electrical energy using induction generator as an isolated system. Induction generator can be selected because its has simple and robust construction, maintenance free, low cost and available in the local market. Generally, the induction generator is operated as an isolated system using self excitation (SEIG-Self Excited Induction Generator) which is produced by capacitor. In order to increase the capacity, paralel operation of the induction generator is applied. The aims of this research are to determaine the characteristic of SEIG, to analize parallel operation of SEIG and to develope practical paralel operation procedure. The research was done by simulation using software and then verified with experiment. The results showed that SEIG required capacitor as self excitation. In the paralel operation, they did not need special synchronization. The generators must be in negatif slip condition. Load sharing between two generators is determined by the rotary speed of the prime mover. Finally, based on the experiment the practical paralel operation procedure has been developed. Keywords:induction generator, self excited, parallel operation, isolated system, renewable energy 1. Pendahuluan Indonesia memiliki sumber energi terbarukan khususnya air dan angin yang potensinya berfluktuasi sepanjang tahun, dan letaknya tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Sumber energi terbarukan tersebut dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik terisolasi atau tersambung ke jaringan listrik yang sudah ada dengan motor induksi sebagai generator (MISG) [1][2][3]. Motor induksi dipilih karena sederhana, mudah dirawat, mudah dioperasikan, mudah didapat, dan murah. Potensi potensi pembangkitan listrik tersebut, walaupun berkapasitas kecil, dapat dikembangkan menjadi potensi pengadaan listrik yang berkapasitas lebih besar, dengan cara memparalel MISG. Implementasi MISG dalam dunia ketenagalistrikan dapat menjadi pilihan sebagai sumber tenaga listrik yang terisolasi, yakni dengan menggunakan generator induksi bereksitasi sendiri (self-excited induction generator-seig). Penggunaan SEIG dengan kapasitor sebagai sumber eksitasi, terkadang memerlukan operasi paralel untuk memenuhi kebutuhan pembangkitan yang lebih besar. Penggunaan MISG dalam operasi paralel memiliki beberapa keuntungan : 1. tidak memerlukan sinkronisasi. 2. generator tidak harus bekerja pada kecepatan sinkron tertentu. [1] Namun, pemaparan yang lebih lanjut dan langkah praktis dalam pengimplementasian operasi paralel MISG masih sangat jarang ditemukan. Karakteristik operasi paralel perlu dipelajari lebih lanjut untuk mendapatkan langkah praktis dalam kondisi lapangan. Penelitian ini dilakukan untuk meneliti karakteristik operasi paralel, menganalisis dan membuat langkah implementasi yang aman melalui simulasi komputer dan pengujian praktek di laboratorium. 2. Prinsip kerja MISG Kecepatan medan putar di dalam motor induksi dinyatakan oleh persamaan 1. (1) dengan ns : kecepatan medan putar, rpm f : frekuensi sumber daya, Hz p : jumlah kutub motor induksi Kecepatan putar rotor tidak sama dengan kecepatan medan putar. Perbedaan tersebut dinyatakan dengan slip. (2) dengan s : Slip ns : kecepatan medan putar, rpm nr : kecepatan putar rotor, rpm Motor induksi tiga fase dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar atau mesin bekerja pada slip negatif [2]. Agar motor induksi dapat berfungsi sebagai generator maka diperlukan arus eksitasi. Pada MISG yang bekerja stand alone diperlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi. Pada Gambar 1. diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] B - 12

2 Beban 3. Metodologi Penelitian Pengujian menggunakan dua metode, simulasi dan metode pengujian fisik. Gambar 2. menggambarkan proses pengujian menggunakan simulasi PSIM sedangkan untuk pengujian fisik, menggunakan proses pada diagram alir Gambar 3. Circuit Breaker Discharge Resistors Kapasitor Gambar 1. Skema pemasangan kapasitor pada MISG Nilai kapasitor yang diperlukan oleh generator dinyatakan dengan rumus : C per phase Q 3U 2 2 f (3) dengan U= tegangan fase-fase (jika terhubung delta) f = frekuensi jaringan Q= daya reaktif yang dikompensasi Jika kapasitor terhubung bintang, kapasitans yang dibutuhkan per fase adalah tiga kali dari persamaan 3 [2][5]. Pada pengujian tanpa beban, akan didapatkan data - tegangan antar fase V0 - arus fase I0 - daya masukan tiga fase. untuk, mencari nilai : Gambar 2. Diagram alir pengujian simulasi. (4) (5) (6) (7) Gambar 3 Diagram alir pengujian fisik. (8) Dengan asumi keadaan tanpa beban MISG membutuhkan kapasitor untuk memenuhi kebutuhan reaktansi magnetisasi Xm, maka Xc yang akan digunakan sama dengan Xm. Sehingga, nilai kapasitor dapat dihitung dengan (9) Pengujian simulasi menggunakan dua motor induksi tiga fase dengan kapasitas 5,5 kw 200 V. Sedangkan pada pengujian fisik menggunakan dua motor induksi tiga fase, dengan kapasitas 1,5 kw 220 V sebagai generator. Penggerak mula generator menggunakan dua motor DC dengan kapasitas 1 kw dan 1,2 kw. Kedua motor induksi dan motor DC tersebut dirangkai paralel, kemudian diuji berbeban dan tanpa beban. (10) B - 13

3 3.1. Unit beban Pengujian fisik menggunakan beban resistif berupa lampu bohlam yang dipasang paralel, 3 fase seimbang terhubung wye. Satu fase memiliki empat lampu 10W, satu lampu 15W, dan satu lampu 25W. kapasitor yang tetap, memberikan kondisi pembangkitan yang tetap dengan beban yang terus membesar. Dalam kondisi tersebut, nilai tegangan turun Unit eksitasi Unit eksitasi yang digunakan merupakan kapasitor bank dengan tap changer, untuk menambah kapasitas kapasitor. Setiap tap memiliki kapasitas 17μF, 250VAR, dengan jumlah tap 4 tiap fase. 4. Hasil dan Pembahasan 4.1. Pengujian Simulasi Pengujian simulasi memberikan beberapa karakteristik operasi MISG. Dalam pengujian dilakukan pengujian operasi stand-alone dan pengujian paralel. Gambar 5 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi stand-alone. Gambar 5 memperlihatkan hasil simulasi pengaruh nilai perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip. Gambar 4 Pengaruh perubahan kapasitas kapasior dalam kondisi stand-alone tanpa beban Pengujian tanpa beban melibatkan pengaruh kapasitor terhadap besar tegangan keluaran generator. Pengujian tanpa beban, baik dalam kondisi stand-alone dan paralel memiliki karakterisitik sama, karena pada dasarnya melibatkan MISG dan kapasitor sebagai sumber eksitasi. Gambar 4 menunjukan pengaruh kapasitor memberikan kenaikkan pada nilai tegangan. Semakin besar arus eksitasi yang diberikan pada MISG, semakin besar tegangan yang mampu dihasilkan oleh MISG tersebut. Beban yang terus ditambahkan dalam sistem pembangkitan stand-alone mempengaruhi nilai frekuensi dan slip pada MISG. Semakin besar beban yang ditanggung, semakin turun frekuensi MISG, dan semakin minus nilai slip. Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6 dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangan sangat terpengaruh oleh perubahan beban. Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai Gambar 6 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi stand-alone. Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6 dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangan sangat terpengaruh oleh perubahan beban. Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai kapasitor yang tetap, memberikan kondisi pembangkitan yang tetap dengan beban yang terus membesar. Dalam kondisi tersebut, nilai tegangan turun. Pengujian simulasi operasi paralel memberikan hasil dengan karakteristik yang sama dengan pengujian simulasi operasi stand-alone, seperti yang terlihat dalam Gambar 7 dan Gambar 8. Pada pengujian penambahan beban aktif yang dilakukan pada operasi stand-alone, nilai tegangan antar fase mengalami penurunan, hal yang sama terjadi ketika terdapat dua generator induksi yang dioperasikan B - 14

4 paralel, dalam keadaan operasi yang identik pada kedua MISG tersebut. Gambar 7 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai frekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi paralel. Gambar 8 Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi paralel. Pengujian simulasi selanjutnya melihat karakterisitk perbedaan kecepatan putar penggerak mula antara MISG 1 dengan MISG 2. Pengujian ini dilakukan untuk simulasi dengan kondisi tidak ideal yang seringkali akan ditemukan pada keadaan nyata. Pada pengujian, kecepatan penggerak mula MISG 2 dirancang untuk konstan, sedangkan pada MISG 1 dirancang untuk terus naik sedikit demi sedikit. Nilai magnitude tegangan yang dihasilkan menjadi fungsi kecepatan putar MISG yang terus berubah. Terdapat karakteristik pengaturan tegangan dan frekuensi pada sistem operasi paralel MISG. Hasil pengujian menunjukkan jika nilai frekuensi dan tegangan ikut meningkat, seiring meningkatnya nilai kecepatan penggerak mula 1. Hal tersebut dapat menjadi acuan dalam meningkatkan nilai keceptan penggerak mula untuk memperbaiki profil tegangan ketika terdapat beban yang terus meningkat. Perbedaan kecepatan mempengaruhi nilai arus keluaran sistem paralel MISG dengan melihat beda fase dalam tabel. Semakin jauh dari nilai kecepatan putar yang sama antara penggerak mula 1 dengan penggerak mula 2, nilai beda fase dalam arus juga semakin besar. Gambar 9. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi paralel. Gambar 10. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi paralel Pengujian Fisik Pengujian fisik memiliki tahapan operasi paralel sebagai berikut : 1. Operasikan putaran penggerak mula Motor DC 1 mendekati 1544 rpm. 2. Operasikan nilai kapasitor 500 VAR per fase. 3. Naikkan sumber tegangan DC, agar putaran penggerak mula Motor DC 1 meningkat, untuk mendapatkan nilai slip yang lebih negatif. 4. Pada kecepatan rotor mencapai 1544 rpm, mesin induksi 1 mengalami slip negatif dan kemudian beroperasi sebagai generator. 5. Sesuaikan kecepatan putar penggerak mula dan besar kapasitor, untuk memperoleh tegangan 220 V 50 Hz. 6. Operasikan penggerak mula Motor DC 2, putar dengan kecepatan sekitar 1522 rpm. 7. Tambahkan nilai kapasitor menjadi 750 VAR per fase. Abaikan perubahan tegangan keluaran MISG Posisikan kontaktor 3 fase dalam keadaan tertutup, sehingga MISG 1, MISG 2 dan kapasitor terhubung paralel. B - 15

5 9. Tambahkan kecepatan putar penggerak mula Motor DC 2 hingga slip motor induksi menjadi negatif. 10. Setelah slip mesin induksi 2 negatif, mesin induksi 2 menjadi MISG 2, kemudian lakukan pengaturan kecepatan penggerak mula Motor DC 1 dan penggerak mula Motor DC 2, serta atur nilai kapasitor bank pada nilai maksimal kapasitor, 1kVAR per fase untuk mendapatkan tegangan nominal fase-netral 220 V 50 Hz. 11. Setelah kedua motor induksi mampu menjadi generator, inputkan beban sedikit demi sedikit. Setelah pengujian fisik, kemudian dilakukan pengujian pada keadaan berbeban. Dari hasil pengujian fisik tersebut, semakin besar beban yang ditanggung oleh operasi paralel MISG, maka nilai kecepatan penggerak mula mengalami penurunan. Hasil yang sama terdapat pada besaran frekuensi dan tegangan keluaran. Hasil pengamatan terhadap tegangan, frekuensi, dan kecepatan putar penggerak mula memiliki karakteristik yang sama dengan hasil pengujian simulasi. Sehingga melalui kedua data tersebut, dapat dinyatakan bahwa nilai tegangan, frekuensi, dan kecepatan putar rotor dapat dipengaruhi oleh perubahan beban. Pengujian menunjukkan bahwa nilai slip kedua MISG masih negatif dengan variasi kecepatan penggerak mula tersebut, menunjukkan bahwa kedua generator masih dapat terus menyuplai beban. Pengujian berbeban memberikan gambar grafik sebagai berikut : Gambar 11. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai kecepatan putar penggerak mula dalam pengujian fisik operasi paralel. Gambar 12. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai slip dalam pengujian fisik operasi paralel. Gambar 13. Pengaruh perubahan beban terhadap nilai tegangan dan frekuensi dalam pengujian fisik operasi paralel. Berdasarkan hasil pengujian berbeban tersebut, terdapat kesesuaian antara pengujian simulasi dengan pengujian fisik, sehingga dapat diketahui untuk beban yang terus bertambah nilai frekuensi turun, nilai tegangan turun, kecepatan putar turun. 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi dan pengujian laboratorium, menghasilkan beberapa kesimpulan sebagai berikut. 1. Sebuah mesin induksi tiga fase beroperasi sebagai generator apabila : a. kecepatan putar rotor melebih kecepatan putar sinkron b. mengkonsumsi daya reaktif yang dicatu oleh kapasitor 2. Dua buah generator induksi dapat diparalel apabila arah putaran penggerak mula dan arah medan putar generator pertama dan kedua sama 3. Operasi paralel MISG tidak memerlukan sinkronisasi tegangan, urutan fase, dan frekuensi, seperti pada pengoperasian paralel generator sinkron. 4. Pembagian beban pada operasi paralel generator induksi dilakukan dengan membedakan besar kecepatan putar penggerak mula antara kedua generator. B - 16

6 5. 6. Pengujian simulasi pada beban resistif diperoleh: a. nilai kapasitas kapasitor yang bertambah mempengaruhi peningkatan tegangan dan arus keluaran generator. b. nilai kecepatan yang terus bertambah mempengaruhi peningkatan nilai tegangan keluaran dan frekuensi sistem MISG. Langkah langkah praktis operasi paralel generator induksi telah disusun. Daftar Pustaka [1] Al-Bahrani, Abdallah H. dan Nazar H. Malik. (1994). Parallel Operation of Self-excited Induction Generators. Electrical Engineering Department, College of Engineering. King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia. [2] Chapallaz, J. M., Ghali, J. D., Eichenberger, P., & Fischer, G. (1992). Manual on Induction Motors Used as Generators. Braunschweig: Deutsches Zentrum fur Entwicklungs technologien. [3] Isnaeni B.S, M. (2005). Makalah, Motor Induksi Sebagai Generator (MISG), Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada. [4] Jenkins, Nick dan Ron Allan, Peter Crossley, David Kirschen, Goran Strbac. (2000). Embedded Generation. London: The Institution of Electrical Engineers. [5] Ridho, Rizky, 2012, Rancang Bangun Simulator PLTMH Menggunakan Motor Induksi Sebagai Generator (MSIG) yang Terhubung ke Jaringan, Tugas Akhir Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, UGM Yogyakarta. B - 17