TUGAS AKHIR ANALISIS PERBANDINGAN REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI ANTARA TERMINAL STATOR HUBUNGAN STAR DENGAN DELTA Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro OLEH : BENNI ARITONANG NIM : 0 50402062 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 sehingga akan memperbesar regulasi tegangan. Penambahan beban juga akan memperbesar efisiensi generator induksi. Dalam penggunaannya, terminal stator motor induksi sebagai generator induksi boleh saja kita menggunakan hubungan star atau hubungan delta. Tugas akhir ini akan membahas tentang perbandingan regulasi tegangan dan efisiensi motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi untuk setiap penambahan beban resistif dengan dengan menjaga frekuensi tetap 50 Hz.
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 Perbandingan Regulasi Tegangan dan Efisiensi pada Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Antara Terminal Stator Hubungan Star dengan Delta, yang disusun untuk memenuhi salah satu syarat dalam kurikulum pembelajaran di Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara 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 (J. Aritonang dan L. br Simatupang) yang telah banyak memberikan kasih sayang dan mendoakan penulis. Juga untuk abang dan adik-adikku tercinta (B Agus, Kristina, Diana, J. Erikson) yang memberikan perhatian dan doa sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik. 4. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen selaku dosen pembimbing tugas akhir yang memberikan arahannya kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini.
5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane 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 (Julius, Fritz, Sadak, Mangiring, Elis, Ferry, Tommy, Edison) serta seluruh temanteman yang namanya 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, Juni 2010 Benni Aritonang
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... viii I. DAFTAR TABEL xi II. 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 III. 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... 8 2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa... 12 2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi... 16 2.5.1 Rangkaian Ekivalen Stator 16 2.5.2 Rangkaian Ekivalen Rotor. 18
2.6 Aliran Daya dan Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa....24 2.6.1 Aliran Daya.24 2.6.2 Efisiensi 27 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 PERBANDINGAN REGULASI TEGANGAN DAN EFISIENSI PADA MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI ANTARA TERMINAL STATOR HUBUNGAN STAR DENGAN DELTA 4.1. Umum... 58 4.2. Peralatan yang Digunakan... 59 4.3. Penentuan Besar Nilai Kapasitor.....60 4.4. Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Terminal Stator Hubungan Star...62 4.4.1 Percobaan Beban Nol...62 4.4.1.1 Rangkaian Percobaan... 62 4.4.1.2 Prosedur Percobaan... 63 4.4.1.3 Data Hasil Percobaan... 64 4.4.2 Percobaan Berbeban... 64 4.4.2.1 Rangkaian Percobaan... 65 4.4.2.2 Prosedur Percobaan... 65 4.4.2.3 Data Hasil Percobaan... 67 4.5 Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Terminal Stator Hubungan Delta...68 4.5.1 Percobaan Beban Nol... 68 4.5.1.1 Rangkaian Percobaan... 68 4.5.1.2 Prosedur Percobaan... 69 4.5.1.3 Data Hasil Percobaan... 70 4.5.2 Percobaan Berbeban... 70
4.5.2.1 Rangkaian Percobaan... 71 4.5.2.2 Prosedur Percobaan... 71 4.5.2.3 Data Hasil Percobaan... 73 4.6 Analisis Data Hasil Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Antara Terminal Stator Hubungan Star Dengan Delta... 74 4.6.1 Regulasi Tegangan... 74 4.6.2 Efisiensi... 75 BAB V : KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan... 85 DAFTAR PUSTAKA... 86 LAMPIRAN... 87
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 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor.....12 Gambar 2.8 Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet... 13 Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Stator.... 17 Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Rotor...18 Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Rotor yang sudah dipengaruhi slip...19 Gambar 2.12. Rangkaian Ekivalen motor yang berasal dari penurunan persamaan... 21 Gambar 2.13 Gambar rangkaian ekivalen per phasa motor induksi... 22 Gambar 2.14. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi yang disederhanakan dengan sisi primer sebagai referensi.... 24 Gambar 2.15. Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator... 23 Gambar 2.16 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi yang disederhanakan dengan sisi primer sebagai referensi dengan mengabaikan tahanan rugi-rugi inti (Rc).... 24 Gambar 2.17.Diagram Aliran Daya...25 Gambar 2.18 Tegangan Ekivalen Thevenin pada Sisi Rangkaian Input 30
Gambar 2.19 Impedansi Ekivalen Thevenin pada Sisi Rangkaian Input.... 31 Gambar 2.20. Rangkaian Ekivalen Thevenin Motor Induksi... 31 Gambar 2.21 Kurva Karakteristik Torsi-Slip Motor Induksi...32 Gambar 2.22. 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 Terminal Stator Hubungan Star 62 Gambar 4.2. Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator pada Terminal Stator Hubungan Star. 65 Gambar 4.3. Rangkaian Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator pada Terminal Stator Hubungan Delta 68 Gambar 4.4. Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator pada Terminal Stator Hubungan Delta 71
Gambar 4.5. Grafik Pengaruh Perubahan Nilai Kapasitor Terhadap Tegangan Keluaran Generator pada Terminal Stator Hubungan Star Dalam Keadaan Beban Nol... 79 Gambar 4.6. Grafik Pengaruh Perubahan Nilai Kapasitor Terhadap Tegangan Keluaran Generator pada Terminal Stator Hubungan Delta Dalam Keadaan Beban Nol 79 Gambar 4.7. Grafik Pengaruh Perubahan Nilai Kapasitor Terhadap Tegangan Keluaran Generator pada Terminal Stator Hubungan Star Dalam Keadaan Berbeban.. 81 Gambar 4.8. Grafik Pengaruh Perubahan Nilai Kapasitor Terhadap Tegangan Keluaran Generator pada Terminal Stator Hubungan Delta Dalam Keadaan Berbeban. 81 Gambar 4.9. Grafik Perbandingan Regulasi Tegangan Antara Terminal Stator Hubungan Star Dengan Delta 83 Gambar 4.10. Grafik Perbandingan Efisiensi Antara Terminal Stator Hubungan Star Dengan Delta 84
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Data Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Terminal Stator Hubungan Star... 64 Tabel 4.2 Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Terminal Stator Hubungan Star... 67 Tabel 4.3 Data Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Terminal Stator Hubungan Delta... 70 Tabel 4.4 Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi pada Terminal Stator Hubungan Delta... 73 Tabel 4.5 Data Hasil Perhitungan Regulasi Tegangan dan Efisiensi Motor Induksi Sebagai Generator pada Stator Hubungan Star... 77 Tabel 4.6 Data Hasil Perhitungan Regulasi Tegangan dan Efisiensi Motor Induksi Sebagai Generator Pada Stator Hubungan Delta... 78 Tabel 4.7 Data Hasil Perhitungan Perbandingan Regulasi Tegangan dan Efisiensi Motor Induksi Sebagai Generator Antara Stator Hubungan Star Dengan Delta... 82