BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum 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) 2.2 Konstruksi Generator Induksi Secara umum konstruksi mesin induksi baik generator maupun motor sama. Generator induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah udara. Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada gambar 2.1 dibawah ini baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi sederhananya. 4
Gambar 2.1 Konstruksi mesin induksi 2.2.1 Stator Gambar 2.2 konstruksi stator generator 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 5
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. Rangka stator mesin induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan yaitu: 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. 2.2.2 Rotor Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar dan letaknya pada bagian dalam. Pada mesin induksi terdapat dua tipe rotor yang berbeda yaitu rotor sangkar tupai dan rotor belitan. Kedua tipe rotor ini menggunakan laminasi melingkar yang terikat erat pada poros. Penampang rotor sangkar tupai memiliki 6
konstruksi yang sederhana. Batang rotor dan cincin ujung sangkar tupai yang kecil merupakan coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Pada motor yang lebih besar, batang rotor dibenamkan dalam alur rotor dan kemudian di las dengan kuat ke cincin ujung. Apabila dilihat tanpa inti rotor, maka batang rotor ini kelihatan seperti kandang tupai.oleh karena itu motor induksi dengan rotor sangkar tupai dinamakan motor induksi sangkar tupai. Gambar 2.3 konstruksi rotor mesin induksi (a) rotor sangkar (b) rotor belitan 7
2.3 Karakteristik Mesin Induksi Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut Gambar 2.4 grafik kurva karakteristik mesin induksi 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 8
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. 2.4 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat mesin induksi bekerja sebagai motor. Dimana ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul medan putar dengan kecepatan sinkron (n s ). Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor motor diputar oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didalam medan magnet (kumparan stator) akan membangkitkan tegangan sebesar e = B.l.v Dimana : e = tegangan induksi yang dihasilkan (volt) B = fluks magnetik (weber) l = panjang konduktor yang dilewati medan magnet (m) v = kecepatan medan magnet melewati konduktor (m/s) dan bila dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus. Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan medan magnet pada kumparan stator sehingga timbul arus pada kumparan stator sebagai reaksi atas gaya mekanik yang diberikan. Generator induksi berpenguatan sendiri menggunakan kapasitor bank sebagai penyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk membangkitkan tegangan. Seperti yang terlihat pada gambar 2.5, generator induksi menggunakan kapasitor bank menyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator. 9
Gambar 2.5 Prinsip kerja generator induksi 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 2.6. 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. 10
Gambar 2.6 Kurva magnetisasi mesin induksi Gambar 2.7 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 2.7. Semakin besar kapasitansinya, maka semakin besar pula arus kapasitifnya ( ) pada tegangan yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa (leading) sebesar 90. 11
Gambar 2.8 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri 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 2.8. Tegangan terminal tanpa beban generator induksi berpenguatan sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva magnetisasi sebagai fungsi tegangan terminal generator (Gambar 2.6) dan kurva tegangan-arus kapasitor (Gambar 2.7). 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 12
Gambar 2.9 Proses pembangkitan tegangan Proses pembangkitan tegangan dapat dilihat pada Gambar 2.9. 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 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. 13
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 lebih 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. 2.5 Rangkaian Ekivalen Generator Induksi Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri hampir sama dengan rangkaian ekivalen generator tanpa penguatan, hanya saja ada 14
penambahan kapasitor pada sisi statornya. Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri ditunjukkan pada Gambar 2.10. Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri Dimana: = Resistansi stator = Reaktansi stator = Resistansi rotor = Reaktansi rotor = Reaktansi magnetisasi = Reaktansi kapasitor eksitasi S= Slip = Arus rotor = Arus beban = Arus magnetisasi V= Tegangan keluaran Dari rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri (Gambar 15
2.9), hubungan antara tegangan keluaran dengan arus stator diperlihatkan pada persamaan berikut V= (2.2) (2.3) (2.4) Dimana: V = Tegangan keluaran generator (Volt) ggl induksi yang dibangkitkan pada sisi stator (Volt) = ggl yang dibangkitkan disisi 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. 2.6.1 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 16
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. 2.6.2 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 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. 17
(2.8) (2.9) Substitusikan persamaan (2.8) ke dalam persamaan (2.9) I = C = (2.10) Persamaan ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila eksitasi dihubungkan secara bintang atau delta (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 2.11 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut : 18
(2.12) (2.13) (2.14) Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut C= (2.15) (2.16) Substitusikan persamaan (2.16) pada persamaan (2.14) (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. 19
2.7 Pembebanan 2.7.1 Jenis-Jenis Beban a. Beban Resistif Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja (resiatance), seperti elemen panas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai factor daya satu. Sifat beban resistif itu adalah arus beban resistif sefasa dengan tegangannya atau factor daya atau cos φ = 1 Daya aktif P = V. I Cos φ (Watt) Daya reaktif Q= V. I Sin φ (VAR) Jika Cos φ = 1 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi maksimum dan reaktif nol. b. Beban Induktif Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparan kawat yang dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan selenoida. Beban ini dapat mengakibatkan pergeseran fasa (fasa shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal ini disebabkan oleh energy yang tersimpan berupa medan magnetis akan mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan daya reaktif. 20
Sifat beban induktif arus beban induktif 90 0 ketinggalan terhadap tegangannya atau factor daya : cos φ = 0 Daya aktif P = V.I.Cos φ (Watt) = V.I.Cos 90 0 = V. I. 0 Daya Reaktif Q = V. In. Sin φ ( VAR ) = V. In.Sin 90 = V. In. 1 Bila cos φ = 0 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi nol daya reaktif maksimum. 2.7.2 Pengaruh Beban Pada Generator Induksi Pada saat generator dibebani akan terjadi drop tegangan sebelum terminal outputnya. Besaran drop tegangan ini sangat tergantung pada kondisi beban yang ada. Adapun macam-macam drop tegangan tersebut yaitu : a) Drop tegangan akibat tahanan jangkar (IRa) b) Drop tegangan akibat reaktansi jangkar (IXa) c) Drop tegangan akibat fluks bocor 21
Penggabungan antaraa reaktansi jangkar dan fluks bocor sering disebut sebagai reaktansi sinkron (Xs = X1 + Xa). Berikiut akan dijabarkan mengenai pengaruh pembebanan di beban resistif dan induktif. a. Beban Cos φ = 1 Faktor daya generator bernilai cos φ = 1 adalah apabila generator diberi beban bersifat resistif sepasa dengan tegangannya. Gambar 2.12 vektor pada beban cos φ =1 Keterangan : Eo = Tegangan yang terangkat pada kumparan jangkar ( tegangan beban nol) E = Emf induksi beban V = Tegangan terminal Bila φ = 180 0 maka cos φ = 1 dan sin φ = 0, sehingga daya aktif menjadi maksimum dan reaktif menjadi nol. Efek dari pembebanan resistif adalah putaran generator turun dan tegangan generator juga turun. Untuk mengatasi putaran generator yang turun dapat diatasi dengan menambah putaran mesin yang digunakan untuk menggerakkan generator, dan untuk mengatasi tegangan keluaran generator yang turun maka dapat diatasi dengan cara menambah arus eksitasi. 22
b. Beban Cos φ = Lagging Faktor daya generator dapat bernilai lagging apabila generator dibebani beban yang bersifat induktif. Beban induktif adalah beban yang mayoritas komponen penyusunnya adalh gulungan-gulungan kawat yang dapat menghasilkan medan magnet/inductor. Contohnya adalh kumparan, motor listrik lampu TL. Karakteristik factor daya generator yang diakibatkan oleh beban induktif adalah arus beban induktif tertinggal terhadap tegangannya. Gambar 2.13 Vektor pada beban cos φ = Lagging Keterangan : Eo = Tegangan yang terangkat pada kumparan jangkar (tegangan beban nol) E = Emf induksi beban V = tegangan terminal Efek dari pembebanan induktif adalah tegangan stator turun sedangkan putaran tetap. Untuk mengatasi permasalahan akibat pembebanan induktif ini adalah dengan menambah arus eksitasi agar tegangan naik kembali. 23