TUGAS AKHIR ANALISIS KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR (Aplikasi pada P4TK M edan) Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro OLEH : JOSEPH E.SIBUEA NIM : 050402011 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
ANALISIS KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR ( Aplikasi pada P4TK Medan ) Oleh : JOSEP E. SIBUEA 050402011 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Disetujui oleh : Pembimbing Ir. A.RACHMAN HASIBUAN NIP: 194912121982031003 Diketahui oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU, Ir. Surya Tarmizi Kasim M.si NIP:19540531 1986011 002 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
ABSTRAK Motor induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator induksi. Proses perubahan motor induksi menjadi generator induksi membutuhkan daya reaktif untuk membangkitkan tegangan keluaran generator induksi tersebut. Penyedia daya reaktif tersebut adalah kapasitor yang berfungsi sebagai eksitasi. Generator induksi dioperasikan pada kondisi tanpa beban dan kondisi berbeban pada berbagai nilai kapasitor eksitasi. Semakin besar nilai kapasitor eksitasi maka semakin besar pula tegangan keluaran generator induksi. Pada kondisi berbeban, penambahan beban mengakibatkan tegangan keluaran generator menjadi turun. Dalam penggunaannya, terminal stator motor induksi sebagai generator induksi boleh saja kita menggunakan hubungan star atau hubungan delta. Tugas akhir ini akan membahas tentang karakteristik motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi untuk setiap penambahan beban resistif dengan dengan menjaga frekuensi tetap 50 Hz,dan tegangan konstan 220 volt.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus yang oleh karena kasihnya, penulis dimampukan menyelesaikan tugas akhir ini. Adapun tugas akhir ini berjudul Analisis Karakteristik Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator, yang disusun untuk memenuhi salah satu syarat dalam kurikulum pembelajaran di Departemen Teknik Elektro untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik. Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak. Untuk itulah penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada : 1. Kedua orang tua (Ds.H.Sibuea,S.Th dan L.br.Simorangkir) yang telah banyak memberikan kasih sayang dan mendoakan penulis. Juga untuk kakak,abang dan adik-adikku tercinta (Ruth M.Sibuea,Jona E.Sibuea,Esosia B.Sibuea,Maria S.Sibuea,Amin O.Sibuea) yang memberikan perhatian dan doa sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. 2. Bapak Ir.Surya Tarmizi Kasim,MSi selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 3. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 4. Bapak Ir. A.Rachman Hasibuan, selaku dosen pembimbing tugas akhir yang memberikan arahannya kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini. 5. Bapak Ir.Sumantri Zulkarnaen selaku dosen wali penulis yang telah membantu dari awal perkuliahan sampai penyelesaian tugas akhir ini.
6. Bapak Drs. B. Aritonang, ST selaku Kepala Laboratorium Mesin Mesin Listrik Pusat Pengembangan & Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan. 7. Bapak T. Simatupang dan Bapak Epri yang telah banyak meluangkan waktunya saat melakukan riset di P4TK. 8. Seluruh Bapak/Ibu Dosen dan Staf Pegawai Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Teknik Elektro. 9. Teman-teman Departemen Teknik Elektro stambuk 2005 (Antoni,Elis, Fritz, Sadak, Mangiring,, Jonson,Wosvi, Ridwan,Edy,Colin) serta seluruh teman-teman yang namaya tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, yang telah memberikan masukan dan perhatian kepada penulis. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan tugas akhir ini. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi penyempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata, kiranya tugas akhir ini berguna bagi pembaca terutama yang ingin mendalami motor induksi sebagai generator. Medan, April 2011 Joseph E.Sibuea
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi BAB I : PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penulisan... 2 1.3 Manfaat Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Metode Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II: MOTOR INDUKSI TIGA FASA 2.1 Umum... 6 2.2 Konstruksi Motor Induksi... 6 2.2.1. Stator...7. 2.2.2. Rotor...7 2.3 Prinsip Medan Putar... 9 2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa... 13 2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi... 17 2.5.1 Rangkaian Ekivalen Stator...18 2.5.2 Rangkaian Ekivalen Rotor. 19 2.6 Aliran Daya dan Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa...25
2.6.1 Aliran Daya.25 2.6.2 Efisiensi.28 2.7 Torsi Motor Induksi Tiga Fasa... 29 2.8 Desain Motor Induksi Tiga Fasa... 33 BAB III : MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI 3.1 Umum...35 3.2 Syarat-Syarat Mesin Induksi Sebagai Generator...37 3.2.1 Slip Negatif (s < 0).. 37 3.2.2 Adanya Sumber Daya Reaktif. 38 3.3 Kapasitor pada Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator... 40 3.3.1 Umum... 40 3.3.2 Pemasangan Kapasitor... 41 3.3.3 Perhitungan Besar Kapasitansi Kapasitor... 42 3.4 Prinsip Kerja dan Pembangkitan Tegangan Generator Induksi 46 3.5 Pengaruh Pembebanan Resistif Terhadap Arus Eksitasi..50 3.6 Keunggulan dan Kelemahan Penggunaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator 52 3.7 Aliran Daya dan Efisiensi Generator Induksi Tiga Fasa...55 3.7.1 Aliran Daya.. 55 3.7.2 Efisiensi... 56 BAB IV : ANALISIS KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR
4.1. Umum... 58 4.2. Peralatan yang Digunakan... 58 4.3. Penentuan Besar Nilai Kapasitor.....59 4.4. Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Pada Frekuensi Konstan...61 4.4.1 Percobaan Beban Nol...61 4.4.1.1 Rangkaian Percobaan... 61 4.4.1.2 Prosedur Percobaan... 62 4.4.1.3 Data Hasil Percobaan... 63 4.4.2 Percobaan Berbeban... 63 4.4.2.1 Rangkaian Percobaan... 64 4.4.2.2 Prosedur Percobaan... 64 4.4.2.3 Data Hasil Percobaan... 66 4.5 Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Pada Tegangan Konstan...67 4.5.1 Percobaan Beban Nol... 67 4.5.1.1 Rangkaian Percobaan... 67 4.5.1.2 Prosedur Percobaan... 67 4.5.1.3 Data Hasil Percobaan...68 4.5.2 Percobaan Berbeban... 69 4.5.2.1 Rangkaian Percobaan... 69 4.5.2.2 Prosedur Percobaan... 69 4.5.2.3 Data Hasil Percobaan... 71 4.6 Analisis Data Hasil Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator... 72
4.6.1 Analisis Slip... 72 4.6.1.1 Analisi Slip Percobaan Motor Induksi Sebagai Generator Pada Frekuensi Konstan...72 4.6.1.2 1 Analisi Slip Percobaan Motor Induksi Sebagai Generator Pada Tegangan Konstan...72 a.percobaan Beban Nol...72 b.percobaan Berbeban...73 4.6.2 Analisis Grafik...76 BAB V : KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan... 80 DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1: Konstruksi stator... 7 Gambar 2.2: Rotor Sangkar (squirrel cage rotor)... 8 Gambar 2.3: Rotor belitan (wound rotor)... 8 Gambar 2.4: Arus tiga fasa seimbang... 9 Gambar 2.5: Diagram fasor fluksi tiga fasa seimbang... 9 Gambar 2.6: Medan putar pada motor induksi tiga fasa... 9 Gambar 2.7: Diagram fasor fluksi pada keadaan 1...11 Gambar 2.8: Diagram fasor fluksi pada keadaan 2...11 Gambar 2.9: Diagram fasor fluksi pada keadaan 3...12 Gambar 2.10: Diagram fasor fluksi pada keadaan 4...13 Gambar 2.11 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor....14 Gambar 2.12Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet...15 Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Stator... 19 Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Rotor...20 Gambar 2.15. Rangkaian Ekivalen Rotor yang sudah dipengaruhi slip...20 Gambar 2.16. Rangkaian Ekivalen motor yang berasal dari penurunan persamaan... 23 Gambar 2.17 Gambar rangkaian ekivalen per phasa motor induksi... 23 Gambar 2.18. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi yang disederhanakan dengan sisi primer sebagai referensi......24 Gambar 2.19. Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator.....24 Gambar 2.20 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi yang disederhanakan dengan sisi primer sebagai referensi dengan mengabaikan tahanan rugi-rugi inti (Rc).... 25
Gambar 2.21.Diagram Aliran Daya...26 Gambar 2.22 Tegangan Ekivalen Thevenin pada Sisi Rangkaian Input...30 Gambar 2.23 Impedansi Ekivalen Thevenin pada Sisi Rangkaian Input.... 31 Gambar 2.24. Rangkaian Ekivalen Thevenin Motor Induksi... 32 Gambar 2.25 Kurva Karakteristik Torsi-Slip Motor Induksi...33 Gambar 2.26. Karakteristik torsi kecepatan motor induksi pada berbagai disain..33 Gambar 3.1 Kurva Karakteristik Torsi-Kecepatan Mesin Induksi pada Berbagai Daerah Operasi 37 Gambar 3.2 Generator Induksi Terhubung ke Sistem Jaringan 3-Fasa 39 Gambar 3.3 Generator Induksi Penguatan Sendiri (Self-Excited) 39 Gambar 3.4. Hubungan Bintang (Y) dan Segitiga ( ) pada Kapasitor Eksitasi 41 Gambar 3.5. Skema Umum Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri 46 Gambar 3.6. (a) Rangkaian Ekivalen per-fasa Generator Induksi 47 (b) Rangkaian Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen 3.6 (a) 48 Gambar 3.7. Proses Pembangkitan Tegangan 49 Gambar 3.8. Tegangan Fungsi Kapasitor Eksitasi... 49 Gambar 3.9. Tegangan Fungsi Arus Eksitasi dengan Faktor Kerja Satu 51 Gambar 3.10. Diagram Aliran Daya Aktif 55 Gambar 4.1. Rangkaian Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator pada Frekuensi Konstan... 61 Gambar 4.2. Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator pada Frekuensi Konstan... 64 Gambar 4.3. Rangkaian Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator pada Tegangan Konstan... 67 Gambar 4.4. Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa
DAFTAR TABEL Sebagai Generator pada Tegangan Konstan... 69 Tabel 4.1 Data Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Frekuensi Konstan... 63 Tabel 4.2 Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Frekuensi Konstan... 66 Tabel 4.3 Data Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Tegangan Konstan... 68 Tabel 4.4 Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Tegangan Konstan... 71 Tabel 4.5 Data Hasil Analisis Slip Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Dengan Tegangan Konstan..... 75