TUGAS AKHIR ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Konsetrasi Energi Listrik Oleh : NAMA : MUHAMMAD IQBAL NIM : 060402059 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik) Oleh : Muhammad Iqbal NIM : 060402059 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro Disetujui oleh : Dosen Pembimbing, Ir. Sumantri Zulkarnaen NIP : 1947 0503 1973 061 001 Diketahui oleh : Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU, Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si NIP : 1954 0531 1986 011 002 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
ABSTRAK Analisis steady state penting dilakukan untuk memastikan kualitas daya yang bagus dan menilai kesesuaian konfigurasi terhadap aplikasi-aplikasi tertentu. Dalam menganalisis steady state, metode yang digunakan untuk mengetahui performa Generator Induksi Penguatan Sendiri adalah dengan menggunakan data parameterparameter mesin induksi tersebut sehingga dampak dari parameter-parameter ini dapat dinilai. Dengan demikian dilakukanlah pengujian-pengujian terhadap Generator Induksi Penguatan Sendiri tersebut sehingga diperoleh data parameter-parameter yang diinginkan. i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE. Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada : 1. Allah SWT, karena hanya dengan limpahan rahmat dan karunia-nya penulis bias menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Kedua Orang Tua saya yang tidak pernah berhenti memberi dukungan, semangat dan doanya kepada saya. 3. Bapak Ir.Sumantri Zulkarnaen, sebagai dosen pembimbing tugas akhir saya yang sangat besar bantuannya dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Bapak Ir. T.Ahri Bachriun, Msc selaku Dosen Wali penulis selama menyelesaikan pendidikan di kampus USU. 5. Bapak Ir. Tarmizi Kasim, Msi selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. ii
6. Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 7. Bang Isroy Tanjung dan rekan-rekan penghuni Laboratorium Konversi Energi Listrik seperti Fery 07, Ardy 07, Faisal 06, Syawali 08, Aji 08, Fahdi 08, Syamsyarief 08. 8. Rekan-rekan satu stambuk yang telah lulus terlebih dahulu Martua ST, Randi ST, (alm) Nasir Andi Hakim ST, Azhary ST, Rozi ST, Salman ST, Helmi ST, Agung ST, Bale ST dan lain-lain yang telah memotivasi penulis dalam mengerjakan tugas akhir ini. 9. Senior-senior yang telah memberi saran dan inspirasi penulis seperti bang Eko 04, bang Ari 04, bang Adi 04,bang Ronal 04, bang Zuki 04, bang Made 04, bang Augus 04, bang Megi 05, bang Dedi 05, bang Muhfi 04, bang Hans 04, bang Haris 04 dan lain-lain. 10. Seluruh Staff Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU. 11. Teman-teman stambuk 06 yang telah banyak memberi bantuan untuk terselesaikannya TA ini. Baik berupa Ide, Kritik/Saran, Printer, serta Kebersamaan dalam banyak hal yang telah sangat membantuku seperti Ibenk, Khalid, Supenson, Rinaldo, Tian, Fauzi, Frans dan lain-lain. Penulis meyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan. Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Medan, Juli 2011 iii
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 --------------------------------------------------------- 2 1.5 Metode Penulisan -------------------------------------------------------- 3 1.6 Sistematika Penulisan --------------------------------------------------- 3 BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA 2.1 Umum --------------------------------------------------------------------- 6 2.2 Konsruksi Motor Induksi Tiga Fasa ---------------------------------- 7 2.2.1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Tupai-- 9 2.2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Belitan-- ------------------------------------------------------------------------ 11 2.3 Prinsip Medan Putar -------------------------------------------------- 13 iv
2.3.1 Analisis Secara Vektor ---------------------------------------- 14 2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa ---------------------------- 16 2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa ------------------- 17 2.6 Aliran Daya pada Motor Induksi ------------------------------------- 23 2.7 Efisiensi ------------------------------------------------------------------ 25 2.8 Desain Kelas Motor Induksi ------------------------------------------- 27 2.9 Penentuan Parameter Motor Induksi --------------------------------- 28 2.9.1 Pengujian Tanpa Beban (No Load Test)------------------------ 28 2.9.2 Pengujian Tahanan Stator (DC Test)------------------------ ---- 30 2.9.3 Pengujian Rotor Tertahan (Block Rotor Test)------------------ 31 BAB III GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI 3.1 Umum ------------------------------------------------------------------- 34 3.2 Klasifikasi Generator Induksi ---------------------------------------- 35 3.2.1. Berdasarkan Konstruksi Rotor------------------------------ - 35 3.2.1.1 Generator Induksi Rotor Sangkar------------------------ 35 3.2.1.2 Generator Induksi Rotor Belitan--------------------------35 3.2.2. Berdasarkan Proses Eksitasi------------------------------ ---- 36 3.2.2.1 Generator Induksi Terhubung ke Jaringan Listrik----- 36 3.2.2.2 Generator Induksi Penguatan Sendiri--------- ---------- 36 3.3 Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri ------------- 37 3.4 Proses Pembangkitan Tegangan ------------------------------------- 39 3.5 Slip ----------------------------------------------------------------------- 42 3.6 Frekuensi Rotor -------------------------------------------------------- 43 3.7 Aliran Daya Nyata Generator Induksi Penguatan Sendiri ------- 44 3.8 Efisiensi ----------------------------------------------------------------- 45 v
3.9 Kapasitor ---------------------------------------------------------------- 46 3.9.1. Kapasitor Hubungan Delta ( Δ )------------------------------- 46 3.9.2. Kapasitor Hubungan Bintang ( Y )-----------------------------46 3.9.3. Pemasangan Kapsitor----------------------------- -------------- 47 3.10 Keuntungan & Kelemahan Generator Induksi ------------------- 47 BAB IV ANALISIS PERFORMA GENERATOR INDUKSI PENGUATAN SENDIRI TIGA PHASA PADA KONDISI STEADY STATE 4.1 Umum ------------------------------------------------------------------- 49 4.2 Pemodelan Generator Induksi Penguatan Sendiri secara Matematis --------------------------------------------------------------- 49 4.3 Formulasi Penyelesaian Masalah ----------------------------------- 51 4.3.1. Menentukan Parameter-Parameter Mesin Induksi ------- 51 4.3.2. Menentukan Parameter-Parameter Mesin Induksi dalam sistem per unit---------------------------------------------- 53 4.3.3. Karakteristik Beban Nol ------------------------------------- 54 4.4 Penyelesaian Masalah ------------------------------------------------ 61 4.5 Algorithma dan Flow Chart---------------------------------------- -- 66 4.6 Analisis Performa Generator Induksi Penguatan Sendiri pada kondisi Steady State------------------------------------------------- 69 4.7 Hasil dan Pembahasan----------------------------------------------- - 76 vi
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ------------------------------------------------------------ 81 5.2 Saran -------------------------------------------------------------------- 81 DAFTAR PUSTAKA ------------------------------------------------------------------- 82 LAMPIRAN A---------------------------------------------------------------------------- 84 LAMPIRAN B---------------------------------------------------------------------------- 88 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstruksi motor induksi -------------------------------------------------- 7 Gambar 2.2 Komponen Stator motor induksi tiga phasa ----------------------------- 8 Gambar 2.3 Konstruksi rotor motor induksi rotor sangkar ------------------------ 10 Gambar 2.4 Konstruksi motor induksi rotor sangkar ------------------------------- 11 Gambar 2.5 Skematik motor induksi rotor belitan ---------------------------------- 12 Gambar 2.6 Konstruksi motor induksi rotor belitan -------------------------------- 12 Gambar 2.7 Diagram phasor fluksi tiga phasa dan Arus tiga phasa setimbang--13 Gambar 2.8 Medan putar pada motor induksi tiga phasa -------------------------- 14 Gambar 2.9 Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar --------------------------------------------------------------------- 14 Gambar 2.10 Diagram vector untuk fluks total pada keadaan t1, t2 t3, t4 ------- 15 Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen Stator --------------------------------------------- 18 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen Rotor ---------------------------------------------- 21 Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen Motor Induksi ----------------------------------- 21 Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen Motor Induksi dilihat dari sisi Stator -------- 22 Gambar 2.15 Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator --------------------------------------------------------------------- 22 Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan mengabaikan tahanan R e -------------------------------------------------------------------------- 23 Gambar 2.17 Aliran Daya Motor Induksi -------------------------------------------- 24 Gambar 2.18 Rangkaian Ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol --- 30 Gambar 2.19 Rangkaian Pengukuran untuk Test DC ------------------------------ 31 viii
Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan Block Rotor Test ------------------------------------------------------------------------------ 32 Gambar 3.1 Generator Induksi Terhubung Jaringan Listrik ----------------------- 36 Gambar 3.2 Generator Induksi Penguatan Sendiri ---------------------------------- 37 Gambar 3.3 Karakteristik torsi kecepatan mesin induksi -------------------------- 38 Gambar 3.4 Rangkaian Proses Pembangkitan Tegangan -------------------------- 39 Gambar 3.5 Rangkaian ekivalen per phasa Generator Induksi Penguatan sendiri -------------------------------------------------------------------------------40 Gambar 3.6 Proses pembangkitan tegangan ----------------------------------------- 41 Gambar 3.7 Tegangan fungsi kapasitor eksitasi ------------------------------------- 42 Gambar 3.8 Diagram Aliran Daya nyata --------------------------------------------- 44 Gambar 4.1 Rangkaian Ekivalen mesin induksi ------------------------------------- 50 Gambar 4.2 Rangkaian Ekivalen satu phasa beban nol ---------------------------- 54 Gambar 4.3 Kurva karakteristik beban nol mesin induksi 3 phasa --------------- 58 Gambar 4.4 Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi penguatan sendiri -------------------------------------------------------------------------------61 Gambar 4.5 Flow Chart perhitungan analisis performansi generator induksi pada kondisi steady state dengan menggunakan metode Newton Rhapson ------------------------------------------------------------------------------ 68 Gambar 4.6 Kurva Arus Beban ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan ( ----------------------------------------------------------------------------- --77 Gambar 4.7 Kurva Tegangan Beban ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan Faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan( ------------------------------------------------------------ 78 ix
Gambar 4.8 Kurva Daya Output ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan( ------------------------------------------------------------ 79 Gambar 4.9 Kurva Efisiensi ( ) v/s Kapasitansi Eksitasi ( ) dengan faktor daya beban yang berbeda dengan menjaga kecepatan konstan ( --------------------------------------------------------------------- 79 x
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Data Pengujian beban nol, rotor tertahan dan pengukuran tahanan dc 51 Tabel 4.2 Data pengujian beban nol motor induksi 3 phasa ------------------------ 55 Tabel 4.3 Hasil data perhitungan nilai dan dalam satuan per unit -- 57 Tabel 4.4 Skema cara mencari beda terbagi hingga pertama, kedua, hingga ketiga -----------------------------------------------------------------------------------59 Tabel 4.5 Data persamaan polynomial derajat 5 untuk persamaan magnetisasi -- 60 Tabel 4.6 Data variasi kapasitansi eksitasi ( ) dan variasi beban dengan menjaga kecepatan tetap konstan ( ) terhadap frekuensi, reaktansi magnetisasi dan tegangan ccelah udara ---------------- 73 Tabel 4.7 Data variasi kapasitansi eksitasi ( ) dan variasi beban Dengan menjaga kecepatan tetap konstan ( ) terhadap dan ------------------------------------------------------75 xi