SISTEM PENGEREMAN REGENERATIVE MENGGUNAKAN KAPASITOR PADA MOTOR LISTRIK BERPENGGERAK MOTOR INDUKSI TIGA FASA Arman Jaya 1, Endro Wahjono 2, dan Ainii Siti Khodijah 3 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya arman@pens.ac.id, endro@pens.ac.id, ainikhodijah@yahoo.com Abstrak --- Pengereman mesin secara elektrik pada mobil listrik perlu dilakukan untuk menjaga keamanan mobil tersebut bila dikendarai. Mobil listrik dengan penggerak motor induksi tiga fasa dapat dilakukan sistem pengereman regenerative dengan penambahan rangkaian kapasitor pada motor induksi. Kapasitor digunakan untuk menghasilkan arus eksitasi pada generator sehingga generator dengan beban kapasitor dapat menghambat laju putaran mobil. Rata-rata penurunan kecepatan yang mampu dihasilkan sebesar 370 rpm dari kecepatan nominal motor 1500 rpm. Kata kunci Generator induksi, kapasitor, pengereman regenerative I. PENDAHULUAN Ada beberapa jenis sistem pengereman yang digunakan pada motor listrik yang digunakan di industri. Diantaranya yaitu pengereman dinamis, plugging, dan regenerative [1]. Pengereman dinamis dilakukan pada motor induksi dengan memberi arus DC pada belitan stator sehingga dapat menghentikan putaran motor [2]. Sedangkan untuk pengereman plugging dilakukan pada motor DC dan motor induksi dengan cara membalikkan arah putaran motor melalui pembalikan polaritas/fasa yang menyebabkan motor dapat menghasilkan torsi penyeimbang dan membentuk daya perlambatan. Selama ini, pengereman regenerative dilakukan pada motor DC dengan memanfaatkan sisa putaran motor saat sumber tegangan dilepas dan motor berubah fungsi menjadi generator, kemudian generator diberi beban resistif sehingga menghasilkan torsi pengereman [3-4]. Mengubah fungsi motor induksi menjadi generator telah banyak dibahas dan diaplikasikan dalam penelitian yang lalu [5]. Generator tersebut hanya difungsikan sebagai sumber tegangan untuk melayani beban [6-9]. Selain itu, generator induksi digunakan untuk mengikatkan efisiensi mobil listrik agar dapat beroperasi lebih lama [10]. Saat ini, pemakaian motor listrik sudah merambah dalam dunia transportasi seperti mobil listrik. Sistem pengereman mobil listrik yang digunakan hanya mengandalkan pengereman mekanik. Penggerak mobil listrik dapat berupa sebuah motor induksi tiga fasa. Sistem pengereman yang sesuai untuk digunakan pada mobil listrik berpenggerak motor induksi tiga fasa ini adalah pengereman regenerative. Pengeraman ini sangat penting pada mobil listrik agar mobil listrik dapat melakukan pengereman mesin seperti mobil dengan penggerak motor bakar. Metode pengereman mobil listrik ini adalah pengerman regenerative. Beban generator yang digunakan adalah rangkaian kapasitor yang berfungsi juga sebagai pembangkit arus eksitasi generator. Rangkaian kapasitor tersebut terhubung secara delta yang dihubungkan ke bagian stator untuk menghasilkan Back EMF sehingga menyebabkan motor mengalami perlambatan dan putaran motor akan berkurang. Hasil yang diperoleh menunjukkan tingkat pengereman yang baik sebagai pengganti pengereman mesin secara elektrik. II. DASAR TEORI Motor induksi yang digunakan sebagai penggerak adalah motor induksi tiga fasa. Saat kondisi jalanan menurun motor penggerak akan mengalami kenaikan kecepatan di sisi rotor walau sumber listriknya dilepas. Putaran motor saat kondisi jalanan menurun ini menghasilkan putaran rotor melebihi putaran sinkronnya. Kondisi demikian memerlukan alternative pengereman mesin pada motor penggerak tersebut. Menggunakan metode pengereman regenerative pada motor penggerak maka ketika mobil listrik berada di kondisi jalanan menurun dapat diberlakukan sebagai generator. A. Motor Induksi Sebagai Generator Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. Bila dioperasikan sebagai motor, mesin induksi harus dihubungkan dengan sumber tegangan (jala jala) yang dapat menghasilkan energi mekanis pada mesin tersebut dengan mengambil arus eksitasi dari jala jala dan mesin bekerja dengan slip lebih besar dari nol hingga satu (0 S 1). Untuk mengoperasikan motor induksi sebagai generator dibutuhkan daya mekanis sebagai penggerak mula yang akan memutar rotor melebihi kecepatan sinkronnya. Dengan kata lain, pada generator induksi slip selalu bernilai negatif. Hal ini dapat dilihat melalui persamaan 2.1. S= ω SL ω S... (2.1) ω S = 2πF S... (2.2) ω SL = ω S ω R... (2.3) ω R = 2πN R 60... (2.4)
Dimana : S = Slip ω S = Kecepatan angular stator (rad/sec) ω R = K ecepatan angular rotor (rad/sec) ω SL = K ecepatan angular slip (rad/sec) Jika mesin dioperasikan sebagai generator, maka diperlukan daya mekanis untuk memutar rotornya searah dengan arah medan putar melebihi kecepatan sinkronnya dan sumber daya reaktif untuk memenuhi kebutuhan arus eksitasinya. Kebutuhan daya reaktif dapat diperoleh dari jala jala atau dari suatu kapasitor. Tanpa adanya daya reaktif, mesin induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak menghasilkan tegangan. Jika generator induksi terhubung dengan jala jala, maka kebutuhan daya reaktif diambil dari jala jala. Namun, jika generator induksi tidak tehubung dengan jala jala, maka kebutuhan daya reaktif dapat disediakan dari suatu unit kapasitor. Karena generator dapat melakukan eksitasi sendiri maka generator tersebut dinamakan generator induksi penguatan sendiri. Pada generator induksi yang beroperasi standalone, bank kapasitor harus digunakan untuk mensuplai daya reaktif. Daya reaktif yang diberikan harus sama atau lebih besar daripada daya reaktif yang diambil mesin ketika beroperasi sebagai motor. Tegangan terminal generator akan bertambah seiring dengan pertambahan kapasitansi pada kapasitor. searah penguatan sendiri, yaitu memerlukan adanya remanensi (fluks sisa). Berikut rangkaian pengganti per-phasa generator induksi penguatan sendriri pada Gambar 2. dibawah ini. Gambar 2. Rangkaian Ekivalen per-phasa Generator Induksi [1]. Maka arus kerja I RC berasal dari I 2 sehingga diperoleh nilai I M = I C menyebabkan nilai X M = X C. Persamaan ini menunjukkan keadaan setimbang besar reaktansi magnet X M sama dengan besar reaktansi X C. Proses timbal balik tersebut dimungkinkan dengan adanya ragkaian resonansi yang dibentuk oleh X C = X M seperti yang terlihat pada Gambar 3. dibawah ini. Gambar 3. Rangkaian Resonansi Beban nol Generator Induksi [3]. Gambar 1. Generator Induksi dengan Eksitasi Sendiri (Kapasitor) [1]. Kapasitor berperan menarik daya reaktif kapasitif (leading) atau dengan kata lain kapasitor memberikan daya reaktif induktif (lagging) pada mesin induksi. Kerja kapasitor ini dapat dipandang sebagai suatu sistem penguat (eksitasi), sehingga generator induksi juga dikenal dengan sebutan Generator Induksi Penguatan Sendiri (Self Excited of Induction Generator). Generator induksi penguatan sendiri dapat membangkitkan tegangannya sendiri dengan prinsip seperti halnya generator Resonansi yang terjadi mempunyai frekuensi dan kecepatan perputaran rotor tanpa beban. Frekuensi arus penguat sama dengan frekuensi osilasi dari rangkaian resonansi tersebut. Sedangkan frekuensi tegangan keluaran sama dengan frekuensi arus eksitasinya. Sehingga untuk perputaran rotor dengan harga yang tertentu, nilai kapasitor kapasitor eksitasi menentukan frekuensi generator. Dalam resonansi yang umum tanpa adanya sumber tegangan, maka adanya tahanan akan selalu bersifat menurunkan arus. Dalam pembahasan disini hal tersebut sama sekali tidak terjadi. Ini disebabkan karena dalam generator induksi akan mempunyai slip yang negatip dan tahanan rotor bekerja dengan harga yang negatip dan ada dalam posisi melakukan arus (teorema expedansi). Dengan adanya "expedansi" dalam tahanan rotor ini yang juga merupakan bagian dari rangkaian resonansi seluruhnya pada
waktu berbeban, maka generator induksi dapat bekerja dengan penguatan sendiri. Dengan adanya fluksi sisa dan perputaran rotor akan menimbulkan tegangan induksi pada rotor. Tegangan ini akan terinduksi pula pada sisi stator dan akan menimbulkan arus yang mengisi kapasitor hingga terjadi keseimbangan. Gambar 4. Pembangkitan Tegangan Generator Iinduksi. [1] Seperti pada Gambar 1. dengan menghubungkan kapasitor pada terminal stator, akan terbentuk suatu rangkaian tertutup yang menghasilkan tegangan awal generator. Dengan adanya tegangan awal tersebut, pada rangkaian akan mengalir arus. Arus yang megalir akibat adanya tegangan tersebut akan menghasilkan arus di stator dan menambah fluksi, sehingga pada stator akan terbangkit tegangan sebesar V1. Tegangan V1 ini menyebabkan aliran arus di kapasitor sebesar I1. Dengan adanya arus sebesar I1, akan menambah jumlah fluksi di stator, sehingga tegangan stator menjadi V2. Tegangan V2 akan mengalirkan arus di kapasitor sebesar I2 yang menyebabkan fluksi bertambah dan tegangan yang dibangkitkan juga akan meningkat. Proses ini terjadi hingga mencapai titik keseimbangan V=Vc atau grafik Xm berpotongan dengan grafik Xc seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Jika telah tercapai keseimbangan tegangan, maka tidak terjadi lagi penambahan fluksi atau pun tegangan yang dibangkitkan. B. Pengereman Regenerative Pengereman jenis regenerative pada motor AC adalah sebuah sistem pengoperasian pengereman dimana motor induksi digerakkan oleh beban diatas kecepatan sinkron. Pada saat motor digerakkan diatas kecepatan sinkron, maka motor listrik berfungsi seperti sebuah generator induksi dan menghasilkan torsi pengereman. Torsi pengereman dihasilkan berdasarkan nilai arus injeksi yang diberikan pada belitan stator. [5] Pada pengereman secara elektris energy putaran rotor diubah menjadi energy elektrik yang kemudian dikembalikan ke suplai daya, atau dengan memberikan suatu medan magnet stasioner pada stator sehingga putaran rotor akan berkurang dengan sendirinya, pengereman secara elektrik lebih halus dan tidak ada hentakan yang terjadi. Pengereman secara elektrik tidak dapat menghasilkan torsi untuk menahan beban dalam keadaan sudah berhenti dan membutuhkan sumber energy listrik untuk mengoperasikannya. C. Kapasitor Kapasitor yang digunakan pada penelitian ini menggunakan kapasitor jenis Polipropilena Metallized Filem dengan kapasitansi dari kapasitor ditentukan berdasarkan perhitungan kebutuhan daya reaktif motor induksi tersebut [10]. Kapasitor berperan menarik daya reaktif kapasitif (leading) atau dengan kata lain kapasitor memberikan daya reaktif induktif (lagging) pada mesin induksi. Oleh sebab itu kerja kapasitor ini dipandang sebagai suatu sistem penguat (eksitasi). Hal ini bertujuan untuk membuat motor induksi berfungsi sebagai generator saat dihubungkan pada kapasitor [4-5]. Untuk mengubah sifat motor sebagai generator pada saat pengereman, maka diperlukan kapasitor yg disusun seperti pada Gambar 1. Nilai kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari nilai kapasitor minimum yang diperlukan untuk proses eksitasi. Besar nilai kapasitor yang diperlukan adalah : C > C min = Q GNL 2V s 2 2πF s = 460 2x380 2 = 5,07 μf x2x3,14x50 Nilai diatas tersebut adalah nilai kapasitansi minimum yang dibutuhkan generator induksi untuk membangkitkan eksitasi tanpa memperhatikan reaktansi magnetis yang dihasilkan oleh mesin induksi. Jika memperhatikan nilai reaktansi magnetis, sebesar 146,262Ω, dari mesin induksi tersebut maka didapatkan nilai kapasitansi kapasitor sebagai berikut, X C = X m = 146,262Ω 1 Maka, C = = 21,763 μf 2 x π x 50 x X C Dari kedua perhitungan diatas ditentukan nilai C yang akan digunakan pada tugas akhir ini adalah nilai kapasitor diatas 5,07 μf dan di bawah 21,763 μf. Jika mesin induksi diberi nilai kapasitansi melebihi 21,763 μf, maka mesin induksi akan bersifat kapasitif sehingga dapat menyebabkan kerusakan pada mesin induksi tersebut akibat panas yang berlebih yang dihasilkan oleh mesin induksi tersebut. Dari analisa perhitungan dan uji coba yang dilakukan penulis, maka penulis menggunakan tiga variasi nilai kapasitor yang berbeda dengan nilai kapasitansi kapasitor sebesar 10μF, 15μF, dan 20μF untuk mendapatkan nilai efektif pengereman regenerative.
III. BLOK DIAGRAM SISTEM Pada gambar 5 berikut ini merupakan konfigurasi sistem pengereman regenerative menggunakan motor induksi tiga fasa. ekivalen generator dengan melakukan pengukuran resistansi stator, percobaan beban nol, dan percobaan hubung singkat. Setelah parameter generator induksi diketahui, maka dapat ditentukan nilai rugi inti dan nilai kapasitor minimum yang diperlukan untuk membangkitkan tegangan keluaran generator induksi. Tabel 1. Data Parameter Motor Induksi Tiga Fasa Gambar 5. Blok Diagram Sistem Keseluruhan Pada Gambar 6. diatas untuk membuat motor melakukan pengereman regenerative adalah dengan melepas sumber tiga fasa. Digunakan tiga nilai kapasitor yang berbeda sesuai dengan range kebutuhan daya reaktif dari motor induksi agar dapat dilakukan pengereman secara regenerative. Pengereman aktif secara otomatis ketika kecepatan yang dibaca oleh sensor kecepatan menunjukkan nilai yang sesuai dengan setting point pada mikrokontroler ATMega16. Pembacaan nilai kecepatan dilakukan mikrokontroler melalui sensor photoreflector. Ketika kecepatan motor (prime over) mencapai 1500 rpm, secara otomatis relay akan mengaktifkan kontaktor (K1) terlebih dahulu dengan delay 15 detik kontaktor (K2) dan kontaktor (K4) yang interlock dengan beban juga akan aktif. Setelah kontaktor (K2) aktif maka dibutuhkan delay 15 detik untuk mengaktifkan kontaktor (K3). Ketika kapasitor tersambung dengan motor ini menyebabkan rotor motor mempunyai kecepatan yang lebih besar dari kecepatan stator. Hal inilah yang akan menimbulkan energy balik pada motor sehingga motor akan beralih fungsi menjadi generator selama beberapa waktu hingga tegangan sisa di stator motor sama dengan tegangan charging kapasitor dan motor pun terhenti. Energi balik yang dihasilkan motor saat proses pengereman ini dimanfaatkan kembali untuk pengisian baterai 4x12V/10ah. Tabel 1. merupakan tabel hasil pengujian parameter motor induksi tiga fasa yang meliputi, pengukuran resistansi stator (R 1), Resistansi rotor (R 2), Reaktansi stator (X 1), Reaktansi rotor (X 2), Reaktansi magnetisasi (X M). B. Pengujian Generator Induksi Tiga Fasa Pengujian selanjutnya yaitu pengujian generator induksi tiga fasa. Dari hasil pengujian yang telah dilakukan maka didapatkan hasil pengujian seperti Tabel 2. Tabel 2. Pengujian Tanpa Beban dengan Variasi Nilai Kapasitor IV. PENGUJIAN DAN ANALISA A. Pengujian Parameter Motor Induksi Tiga Fasa Dalam perancangan generator induksi perlu dilakukan beberapa percobaan untuk menentukan parameter rangkaian
Dari data tersebut terlihat bahwa untuk nilai kapasitor 10 μ F pada putaran 3000 rpm hingga 2500 rpm nilai tegangan output yang dihasilkan generator berbanding lurus dengan tinggi rendahnya putaran yang diatur. Namun ketika putaran mengalami penurunan dari 2500 rpm ke 2400 rpm, tegangan keluaran generator yang dihasilkan perbedaannya cukup jauh dari 150V menjadi 65,8V. begitupun dengan nilai arusnya juga mempunyai penurunan yang signifikan jika disbandingkan saat putaran motor 2500 rpm. Untuk nilai kapasitor 15 μ F tegangan luaran yang dihasilkan tentu berbeda dengan nilai kapasitor 10μF. Pada penggunaan nilai kapasitor ini diperoleh tegangan keluaran dengan penurunan yang signifikan saat putaran motor 1900 rpm diturunkan menjadi 1800 rpm. Saat putaran motor 1900 rpm, tegangan keluaran yang dihasilkan sebesar 225,6V dan turun drastic menjadi 165,6V saat putaran 1800 rpm. Lain halnya pada penggunaan nilai kapasitor sebesar 20 μ F. Tegangan luaran generator induksi mengalami penurunan drastis ketika putaran motor ditrunkan dari 1500 rpm menjadi 1400 rpm. Pada putaran 1500 rpm tegangan keluaran yang terbaca di alat ukur sebesar 122,4V menjadi 8,2V saat putaran turun menjadi 1400 rpm. C. Pengujian Pengereman Regenerative Untuk pengujian pengereman regenerative pada motor induksi ini dirangkailah sesuai dengan blok diagram sistem. Motor induksi dioperasikan dengan putaran nominal 1500 rpm. Secara otomatis kontaktor (K1) yang menghubungkan kapasitor 10µF ke stator motor induksi tiga fasa berlogic 1 bersamaan dengan penekanan tombol stop pada VSD. Kapasitor yang berfungsi sebagai pembangkit arus eksitasi pada motor akan menghasilkan Back EMF (Electromotive Force) sehingga menyebabkan seketika itu juga putaran motor induksi akan turun dari 1497 rpm menjadi 1307 rpm selama 14,05 detik. Untuk mengetahui pengaruh dari pemasangan kapasitor terhadap penurunan kecepatan motor induksi tiga fasa, maka diujilah menggunakan alat ukur XY-Recorder. Alat ukur ini akan merekam nilai kecepatan terhadap waktu. Sehingga akan terlihat grafik penurunan kecepatan yang berbeda-beda pada setiap pemasangan nilai kapasitor. Pada Gambar 6. dibawah ini terlihat tingkat penurunan kecepatan motor induksi yang sangat rendah. Dengan menggunakan skala 5V/cm pada sumbu X serta skala 0,2 V/cm pada sumbu Y serta 862rpm/V untuk tachogenerator, menghasilkan nilai putaran yang sebenarnya sebesar, Rpm sebenarnya = 0,2 x 8,7cm (garis di millimeter) x 862 = 1499 rpm Berikut gambar grafik hasil pengujian pengereman dengan penyambungan kapasitor 10µF, 15µF, dan 20 µf menggunakan alat ukur XY-Recorder di bawah ini. Gambar 6. Grafik Pengereman Menggunakan Kapasitor 10 µf Gambar 7. Grafik pengereman menggunakan kapasitor 15 µf Gambar 8. Grafik pengereman menggunakan kapasitor 20 µf Setelah dipastikan menggunakan XY Recorder untuk setiap penyambungan variasi nilai kapasitor, maka dibuatlah control otomatis pada masing-masing kontaktor yang terhubung dengan kapasitor. Saat putaran motor induksi 1300 rpm, maka kontaktor (K2) yang menghubungkan kapasitor 15µF akan berlogic 1
(ON), dan putaran motor akan turun dari 1300 rpm menjadi 829 rpm selama 12,97 detik. Karena nilai kapasitansi kapasitor yang terhubung sebesar 15µF tentu sangat mempengaruhi nilai tegangan sisa yang dihasilkan selama proses pengereman berlangsung. Adapun tegangan sisa yang dihasilkan saat penyambungan kapasitor 15µF ini sebesar 290V DCmax. Maka diperlukan delay waktu sebesar 7 detik sebelum kontaktor (K4) aktif dan menyambungkan ke rangkaian charger baterai. Nilai tegangan input dari buck converter yang didesain, yakni 150 V DC. Untuk mempercepat pemberhentian motor induksi tiga fasa ini, saat putaran motor 829 rpm ini disambungkan lagi dengan kapasitor sebesar 20µF. Maka putaran motor berkurang sebesar 520 rpm dari 829 rpm menjadi 309rpm atau selama 10,07 detik. Dalam proses pemanfaatan energy sisa yang dihasilkan selama proses pengereman berlangsung. Digunakan metode yang sama dengan ketika penyambungan kapasitor 15µF dan 20µF, yakni penggunaan jeda waktu selama 7 detik untuk pengaktifan kontaktor (K4). V. KESIMPULAN Setelah melakukan tahap perancangan dan pembuatan sistem yang kemudian dilanjutkan dengan tahap pengujian dan analisa maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Pengereman regenerative pada motor induksi tiga fasa dapat dilakukan dengan menghubungkan kapasitor AC sesuai dengan perhitungan nilai kapasitor yang dibutuhkan untuk eksitasi minimum sebesar 5,07 µf serta maksimum sebesar 21,763 µf. 2. Dalam penelitian ini digunakan kapasitor dengan range nilai kapasitansi antara nilai kapasitansi minimum dan maksimum yakni sebesar 10µF, 15µF, dan 20µF secara parallel. 3. Dari hasil pengujian menggunakan XY Recorder, penurunan kecepatan yang dihasilkan akibat adanya Back EMF saat penggunaan kapasitor 10µF sebesar 1499rpm menjadi 1300rpm selama 14,05 detik. Untuk penyambungan kapasitor 15µF terjadi penurunan kecepatan dari 1499rpm menjadi 1040rpm selama 12,97 detik. Serta penurunan selama 10,05 detik dari 1499rpm menjadi 904rpm untuk penyambungan kapasitor 20 µf. 4. Nilai kapasitansi kapasitor pada penelitian ini akan mempengaruhi Back EMF yang dihasilkan motor induksi. Back EMF inilah yang menyebabkan motor induksi mengalami penurunan kecepatan [3]. Hossein-zadeh, Naser, dkk. 2007. A MATLAB/Simulink Model of SEIG for An Electrical Brake Application. [4]. Yunus Tjandi. 2008. Fungsi Arus Searah Pada Pengereman Motor Induksi. Media Elektrik: Vol.3. [5]. Samala, Lintang Perdana. 2013. Perancangan Dan Implementasi Pengendali Tegangan Generator Induksi Satu Fasa 370 W. Surabaya: Politeknik Elektronika Negeri Surabaya [6]. Lubis, Muhammad Habibi. 2012. AnalisisPengaruh Besar Nilai Kapasitor Eksitasi Terhadap Karakteristik Beban Nol dan Berbeban Pada Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) Penguatan Sendiri. Medan: Universitas Sumatera Utara [7]. Linda Amaliyah. 2008. Rancang Bangun Generator Induksi Satu Fasa (Split Phase). Bandung : Teknik Elektro Prodi Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung. [8]. Chairul Gagarin Irianto. 2004. Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan Nilai Kapasitor untuk Penyedia Daya Reaktif. Jakarta: Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti. [9]. G. Raina, and O.P. Malik, Wind energy conversion using a self-excited induction generator, IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol.102, No.12, 1983, pp.3933-3936. [10]. Maulana, Davitra Fajar. 2008. Pemanfaatan Energi Balik Untuk Memperbaiki Efisiensi Mobil Listrik. Surabaya: Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. DAFTAR PUSTAKA [1]. Stephen J Chapman 4 th edition. 2005. Electric Machinery Engineering. [2]. Agung Warsito, dkk,. 2006. Pengereman Dinamik Pada Motor Induksi Tiga Fasa. Transmisi, Vol. 11, No. 1.