BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Mesin Induksi Mesin induksi ialah mesin listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Mesin induksi bekerja berdasarkan perbedaan kecepatan putar antara stator dan rotor. Apabila kecepatan putar stator sama dengan kecepatan putar rotor (n s = n r ), maka tidak ada tegangan yang terinduksi baik ke stator maupun ke rotor. Apabila kecepatan putar stator lebih besar daripada kecepatan rotor (n s >n r ), maka tegangan akan terinduksi ke rotor sehingga mesin induksi beroperasi sebagai motor listrik. Apabila kecepatan putar rotor lebih besar daripada kecepatan putar rotor (n r >n s ), 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 = (n s - n r )/n s (2.1) 2.1.1.Karakteristik Mesin Induksi Mesin induksi memiliki karakteristik sebagai berikut Gambar 2.1 Grafik kurva karakteristik mesin induksi 5

Dari Gambar 2.1 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 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. 2.1.2.Konstruksi Mesin Induksi Mesin induksi terdiri dari tiga bagian utama yaitu stator, rotor dan celah udara. Stator adalah bagian yang diam dan rotor adalah bagian yang bergerak dalam bentuk putaran.celah udara berada diantara stator dan rotor yang merupakan tempat terjadinya proses induksi elektromagnetik. (a) (b) Gambar 2.2 Konstruksi mesin induksi : (a) Sebenarnya (b) sederhana 6

Konstruksi dari mesin induksi diperlihatkan secara jelas pada Gambar 2.2 baik itu dalam konstruksi sebenarnya maupun konstruksi sederhananya. Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian konstruksi yang terdapat pada mesin induksi. Stator Gambar 2.3 Konstruksi stator mesin 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 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 7

3. Alur, dimana alur ini merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan stator). 4. Belitan (kumparan) stator. yaitu: Rangka stator mesin induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan 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. Rotor Rotor adalah bagian dari mesin induksi yang bergerak dalam bentuk putaran. Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu: 1. Mesin induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage). 2. Mesin induksi dengan rotor belitan (wound rotor). (a) (b) Gambar 2.4 Konstruksi rotor mesin induksi: (a) rotor belitan (b) rotor sangkar 8

Rotor sangkar atau rotor kurungan (Squirrel Cage) adalah konstruksi dari inti berlapis dengan konduktor dipasang paralel dengan poros dan mengelilingi permukaan inti. Konduktornya tidak terisolasi dari inti karena arus motor secara alamiah akan mengalir melalui tahanan yang paling kecil yaitu konduktor rotor. Pada setiap ujung rotor, konduktor rotor semuanya dihubung singkat dengan cincin ujung. Konduktor rotor dan cincin ujung serupa dengan sangkar tupai yang berputar sehingga dinamakan demikian. Pada rotor ini terdapat juga alur-alur yang bentuknya lebih dalam daripada alur-alur pada rotor sangkar. Dalam alur-alur terdapat kawat yang dibelitkan pada sebuah rotor dengan hubungan bintang ataupun hubungan segitiga seperti belitan kawat pada stator. Dengan adanya hubungan ini, maka belitan-belitan pada rotor mempunyai tiga ujung. Ujung belitan rotor dihubungkan dengan suatu tahanan awal melalui tiga buah cincin geser yang ada pada poros. Kemudian melalui cincin geser ini ujung-ujung kumparan jangkar dihubungkan dengan tahanan luar atau dihubung singkat. Konstruksi rotor mesin induksi terdiri atas beberapa bagian yaitu: 1. Inti rotor 2. Alur, Alur merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor. 3. Belitan rotor. 4. Poros atau as. Celah udara Diantara stator dan rotor terdapat ruang yang disebut celah udara. Pada celah udara ini tempat berlangsungnya proses pengkonversian energi dalam bentuk induksi elektromagnetis. Celah udara sangat mempengaruhi efesiensi dari mesin induksi. Apabila celah udara besar, maka efisiensinya akan berkurang karena proses induksi listrik membutuhkan energi yang besar. Apabila celah udara sangat kecil, maka akan mengganggu perputaran rotor secara mekanis. Untuk itu celah udara antara stator dan rotor harus diatur sedemikian rupa agar mesin induksi dapat bekerja secara optimum 9

Terminal box Terminal box ialah tempat dihubungkannya mesin induksi dengan power suplay (kondisi sebagai motor) atau tempat dihubungkannya mesin induksi dengan beban (kondisi sebagai generator). Kipas rotor Pada saat mesin induksi beroperasi, mesin induksi menghasilkan rugi-rugi yaitu energi yang terbuang dalam bentuk panas. Semakin lama mesin induksi bekerja maka panas yang dihasilkan juga semakin besar. Hal itu akan mengganggu kinerja dari mesin induksi dan dapat menimbulkan kerusakan pada mesin induksi. Untuk itu pada rotor terdapat kipas yang dipasang seporos dengan rotor. Jadi pada saat mesin induksi beroperasi dalam bentuk putaran maka kipaspun akan berputar sehingga kipas dapat mengurangi panas yang ditimbulkan dari mesin induksi. 2.2.Generator Induksi Generator induksi adalah mesin induksi yang bekerja sebagai generator, dimana rotor yang digerakkan dalam bentuk putaran oleh penggerak mula berputar lebih cepat daripada kecepatan medan putar pada stator (n r >n s ) untuk menghasilkan daya. Generator induksi digunakan untuk melayani beban listrik yang kecil, umumnya dioperasikan sebagai generator pada pembangkit listrik yang menggunakan energi terbarukan yang dioperasikan pada daerah terpencil dimana kebutuhan listrk masih sedikit dan belum terdapat jaringan listrik. Hal itu dikarenakan generator induksi masih dapat bekerja sebagai generator untuk membangkitkan tegangan walaupun kecepatan penggerak mulanya tidak tetap dan masukan daya reaktif yang diperlukannya tidak tetap. Generator induksi memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan generator yang lain, yaitu mudah ditemukan dipasaran, konstruksinya yang sederhana, biaya mesin yang murah, mudah dalam perawatan dan mudah dalam pengoprasian. Generator induksi juga memiliki beberapa kelemahan, salah satunya adalah setiap perubahan pembebanan dan perubahan kecepatan putarnya akan berpengaruh terhadap keluaran generator induksi tersebut. Untuk mengatasi 10

permasalahan itu maka diperlukan adanya sebuah sistem kontrol yang bertujuan untuk mengatur tegangan dan frekuensi hasil keluaran dari generator induksi. 2.2.1.Jenis Generator Induksi Generator induksi tidak dapat membangkitkan tegangan jika tidak mendapatkan suplai daya reaktif untuk eksitasinya. Eksitasi dibutuhkan untuk menghasilkan medan magnet pada kumparan rotor yang nantinya akan menginduksikan tegangan pada stator untuk menghasilkan energi listrik. Selain itu eksitasi juga dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif yang diperlukan generator untuk membangkitkan tegangan listrik. Generator induksi tidak dapat memproduksi daya reaktifnya sendiri, untuk itu generator induksi akan menyerap daya reaktif dari sistem jaringan listrik. Namun, mesin induksi biasanya dioperasikan di daerah terpencil dimana di daerah seperti itu tidak terdapat jaringan listrik. Oleh karena itu, generator induksi harus dapat memenuhi daya reaktifnya sendiri untuk keperluan eksitasinya. Berdasarkan eksitasinya tersebut generator induksi dibagi menjadi dua jenis yaitu: Generator induksi masukan ganda (Double Fed Induction Generator (DFIG)) Eksitasi pada generator induksi masukan ganda didapatkan dari jaringan sistem yang telah terpasang. Generator jenis ini menyerap daya reaktif dari jaringan listrik untuk memenuhi medan magnet yang dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan. Pada terminal generator ini dihubungkan dengan inverter yang untuk selanjutnya akan dihubungkan langsung pada kumparan rotor dari generator. Skema dari generator induksi masukan ganda ditunjukkan pada Gambar 2.5. 11

Gambar 2.5 Generator induksi masukan ganda Pada Gambar 2.5 ini menunjukkan aplikasi penggunaan generator induksi masukan ganda yang diputar oleh penggerak mula berupa turbin angin. Pada generator jenis ini, digunakan inverter untuk proses eksitasi. Pada inverter inidigunakan dua konverter yaitukonverter AC-DC dan konverter DC-AC. Kedua konverter ini saling terhubung dan dihubungkan dengan sumber arus searah yang didapatkan dari kapasitor. konverter DC-AC (konverter pada sisi jaringan) dihubungkan pada terminal generator yang juga terhubung pada jaringan sistem. konverter ini bekerja pada frekuensi sistem yang berguna untuk menyerap daya reaktif yang dibutuhkan oleh generator. konverter AC-DC (Konverter pada sisi rotor) dihubungkan langsung pada kumparan rotor untuk prosses eksitasinya. Konverter ini berfungsi untuk menyalurkan daya reaktif pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi putaran dari rotor. Proses eksitasi seperti ini, daya reaktid yang dibutuhkan dapat diatur sesuai dengan daya yang akan dibangkitkan. Keuntungan menggunakan generator jenis ini ialah tegangan dan frekuensinya akan tetap besarnya walaupun kecepatan putar penggerak mulanya berubah-ubah. Namun pada generator jenis ini hanya dapat digunakan pada mesin induksi dengan rotor belitan karena eksitasinya dihubungkan langsung pada kumparan rotornya. Hal itu sangat mustahil bila menggunakan mesin induksi dengan rotor sangkar tupai. Sehingga mesin induksi jenis yang lain tidak dapat digunakan untuk generator induksi jenis ini. Generator jenis ini juga harus terhubung dengan sistem dan membutuhkan inverter untuk dapat memenuhi kebutuhan eksitasinya. 12

Generator induksi berpenguatan sendiri (Self Excitation Induction Generator (SEIG)) Pada generator induksi berpenguatan sendiri, proses eksitasinya didapatkan dari kapasitor bank yang dihubungkan paralel pada terminal keluarannnya. Skema dari generator induksi berpenguatan sendiri dapat dilihat pada Gambar 2.6. Gambar 2.6 Generator induksi berpenguatan sendiri Dari gambar 2.6 diperlihatkan bahwa kapasitor tiga fasa yang terhubung delta dihubungkan pada terminal keluaran dari generator induksi. Kapasitor ini akan menyalurkan daya reaktif pada generator untuk proses eksitasi. Proses eksitasi yang terhubung pada terminalnya, mesin induksi rotor sangkar dan mesin induksi rotor belitan dapat digunakan untuk generator induksi berpenguatan sendiri. Generator induksi jenis ini dapat beroperasi sendiri tanpa jaringan listrik dan dapat juga beroperasi bersama sistem jaringan listri. Hal ini membuat generator jenis ini lebih fleksibel untuk digunakan. Keuntungan lain dari generator ini ialah harga yang murah, perawatannya yang mudah, desainnya yang sederhana dan proses instalasinya yang tidak rumit. Namun generator jenis ini memiliki kekurangan berupa tegangan keluaran yang tidak stabil pada putaran yang titak tetap dan pada beban yang berubah-ubah khususnya pada beban induktif. Untuk itu diperlukan adanya pengaturan tegangan untuk menjaga stabilitas dari tegangan keluaran dari generator jenis ini. 13

2.2.2.Rangkaian Ekivalen Rangkaian ekivalen dari generator induksi dipandang dari sisi statornya ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen generator induksi Dimana: R 1 = Resistansi stator X 1 = Reaktansi stator R 2 = Resistansi rotor X 2 = Resistansi rotor X m = Reaktansi magnetisasi R m = Resistansi magnetisasi S = Slip 2.2.3.Kelebihan dan Kekurangan Generator Induksi Kelebihan dari generator induksi ialah sebagai berikut: a. Ketersediaan Motor induksi dapat ditemukan dengan mudah di pasaran dibandingkan dengan generator sinkron. Motor induksi inilah digunakan sebagai generator induksi 14

dan dalam beberapa kasus, mesin induksi bekas dapat digunakan kembali untuk mengurangi biaya. b. Harga Generator induksi yang dilengkapi dengan kapasitor eksitasinya jauh lebih murah dibandingkan dengan generator sinkron. Khususnya untuk rating daya yang kecil. Contohnya 10 kw generator induksi, harganya hanya setengah dari generator sinkron c. Ketahanan Mesin induksi sangat kuat dan konstruksinya yang simpel. Tidak memerlukan dioda atau slip ring pada rotornya. Kokoh sehingga dapat menahan peristiwa overspeed. Mesin induksi sendiri dapat beroperasi secara kontinu untuk keadaan sesulit apapun. Kekurangan dari generator induksi ialah sebagai berikut: a. Rating tegangan Mesin induksi tidak selalu tersedia dengan tegangan yang diinginkan untuk digunakan sebagai generator. Modifikasi pada koneksi belitannya atau menggulung ulang belitannya diperlukan b. Diperlukan perhitungan Generator dapat langsung digunakan, sementara generator induksi memerlukan kapasitor eksitasi agar dapat beroperasi dan hal itu membutuhkan perhitungan terlebih dahulu untuk dapat menemukan nilai kapasitansi kapasitor eksitasi yang tepat c. Start motor Motor lebih mudah distart dengan menggunakan generator sinkron dibandingkan dengan generator induksi. 2.3.Generator Induksi Berpenguatan Sendiri Pada generator induksi berpenguatan sendiri, proses eksitasinya didapatkan dari kapasitor bank yang dihubungkan paralel pada terminal 15

keluarannnya. Skema dari generator induksi berpenguatan sendiri dapat dilihat pada Gambar 2.6 sebelumnya Dari gambar 2.6 tersebut diperlihatkan bahwa kapasitor tiga fasa yang terhubung delta dihubungkan pada terminal keluaran dari generator induksi. Kapasitor ini akan menyalurkan daya reaktif pada generator untuk proses eksitasi. Proses eksitasi yang terhubung pada terminalnya, mesin induksi rotor sangkar dan mesin induksi rotor belitan dapat digunakan untuk generator induksi berpenguatan sendiri. Generator induksi jenis ini dapat beroperasi sendiri tanpa jaringan listrik dan dapat juga beroperasi bersama sistem jaringan listrik. Hal ini membuat generator jenis ini lebih fleksibel untuk digunakan. Keuntungan lain dari generator ini ialah harga yang murah, perawatannya yang mudah, desainnya yang sederhana dan proses instalasinya yang tidak rumit. Namun generator jenis ini memiliki kekurangan berupa tegangan keluaran yang tidak stabil pada putaran yang titak tetap dan pada beban yang berubah-ubah khususnya pada beban induktif. Untuk itu diperlukan adanya pengaturan tegangan untuk menjaga stabilitas dari tegangan keluaran dari generator jenis ini. Generator induksi berpenguatan sendiri menggunakan kapasitor bank sebagai penyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk membangkitkan tegangan. Generator induksi berpenguatan sendiri mempunyai cara kerja yang hampir sama seperti cara kerja mesin induksi yang beroperasi pada daerah saturasi hanya saja terdapat kapasitor pada terminal. 2.3.1.Rangkaian Ekivalen Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri hampir sama dengan rangkaian ekivalen generator tanpa penguatan, hanya saja ada penambahan kapasitor pada sisi statornya. Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri ditunjukkan pada Gambar 2.9. 16

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen generator induksi berpenguatan sendiri Dimana: R 1 = Resistansi stator X 1 = Reaktansi stator R 2 = Resistansi rotor X 2 = Resistansi rotor X m = Reaktansi magnetisasi R m = Resistansi magnetisasi X C = Reaktansi kapasitor eksitasi S = Slip 2.3.2.Prinsip Kerja Prinsip kerja generator induksi berpenguatan sendiri dapat dijelaskan dengan melihat Gambar 2.8. Seperti yang terlihat pada gambar tersebut, generator induksi menggunakan kapasitor bank menyuplai daya reaktif yang dibutuhkan generator. Kapasitansi dari kapasitor harus sesuai dengan daya reaktif yang dibutuhkan. Besarnya daya reaktif yang dibutuhkan generator dapat ditinjau dari 17

besar arus magnetisasi (I m ) untuk proses eksitasi. Arus magnetisasi (I m ) 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 2.9. Kurva magnetisasinya ini merupakan 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. Gambar 2.9 Kurva tegangan terminal generator induksi berpenguatan sendiri 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. Seperti pada Gambar 2.9. Semakin besar kapasitansinya, maka semakin besar pula arus kapasitifnya (I c ) pada tegangan yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa (leading) sebesar 90. 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 18

dari generator induksi dengan penguatan sendiri berupa kapasitor bank tiga fasa untuk tiga kelompok kapasitor dengan besar yang berbeda-beda diperlihatkan pada Gambar 2.9. Tegangan terminal tanpa beban generator induksi berpenguatan sendiri dapat diperoleh dengan memplot bersama-sama kurva magnetisasi sebagai fungsi tegangan terminal generator dan kurva tegangan-arus kapasitor. 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. Ketika generator induksi pertama kali diputar, magnet sisa pada kumparan medan yang ada pada rotor akan menghasilkan tegangan yang kecil. Timbulnya tegangan ini memicu kapasitor untuk mengalirkan arus reaktif kapasitif sehingga tegangan terminal menjadi naik. Tegangan yang makin besar memicu kembali kapasitor mengalirkan arus kapasitif yang semakin besar pula. Begitu seterusnya sampai tegangan generator induksi terbangkit sepenuhnya. 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 lebuh 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. 19

Suplai daya reaktif yang disalurkan harus tepat untuk dapat membangkitkan tegangan yang ditentukan. 2.4.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. 2.4.1.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 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. 2.4.2.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 (I c ) akan sama dengan arus magnetisasi (I m ). 20

Tegangan (V) yang dihasilkan akan meningkat secara linier hingga titik saturasi dari magnet inti tercapai. Sehingga dalam kondisi stabil I m = I c (2.1) V X m = V X c (2.2) X m = X c (2.3) Dalam kondisi beban nol motor induksi, dapat dihitung besar nilai reaktansi magnetisasi (X m ) dengan memberikan catu daya pada (V) kemudian mengukur besar arus magnetisasinya X m = V I m (2.4) X m = X c = 1 2πfC (2.5) Subtitusikan persamaan 2.4 ke dalam persamaan 2.5. X c = 1 2πfC V = 1 I 2πfC I = 2πfCV C = I 2πfV (2.6) Persamaan 2.6 ialah nilai masing-masing kapasitansi apabila kapasitor eksitasi dihubungkan secara bintang atau star. C S = I 2πfV (2.7) 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. 21

Gambar 2.10 Hubungan bintang dan delta kapasitor eksitasi Hubungan antara hubungan bintang dan delta adalah sebagai berikut: V C = 3V CS (2.8) I C = I CS / 3 (2.9) X C = V C I C X C = 3V C S I CS / 3 X C = 3V C S I CS X C = 3X CS (2.10) Besarnya kapasitansi dapat dirumuskan sebagai berikut 1 C = (2.11) ωx C X C = 1 Cω (2.12) Subtitusikan persamaan 2.12 pada persamaan 2.10 X C =3X CS 1 = 3 ( 1 ) C ω C S ω C = C S 3 (2.13) 22

Dari persamanaan diatas kita dapat menentukan nilai kapasitansi minimum dari generator induksi. Namun perlu diperhatikan ialah pada saat kondisi beban nol arus magnetisasi (I m ) yang terukur masih dipengaruhi oleh reaktansi magnetisasi stator (X m ) dan tahanan kumparan stator. Untuk itu diperlukan percobaan lain untuk mendapatkan nilai reaktansi magnetisasi (X m ) yang lebih presisi. Percobaan yang dapat dilakukan ialah dengan melakukan percobaan hubung singkat dan percobaan arus searah. 2.5.Metode Pengaturan Tegangan Generator induksi berpenguatan sendiri memiliki kelemahan berupa tegangan keluarannya yang tidak stabil. Pada generator induksi berpenguatan sendiri tegangan keluarannya dipengaruhi oleh kecepatan penggerak mula memutar generator, beban dan kapasitansi dari kapasitor yang dipasang pada terminalnya. Pada kondisi generator induksi beroperasi pada kecepatan putar dari penggerak mula yang tidak tetap, menyebabkan tegangan keluaran yang dibangkitkan juga tidak tetap. Begitu juga dengan perubahan beban yang bervariasi menyebabkan naik turunnya tegangan, apalagi jika dihubungkan dengan beban induktif, akan mengalami penurunan tegangan yang drastis. Hal itu akan mengurangi kualitas daya yang dihasilkan generator induksi. Untuk itu generator induksi harus dibantu dengan pengaturan daya reaktif untuk mengatur tegangan keluarannya. Penggunaan kapasitor bank saja tidak cukup untuk dapat mengatur tegangan keluarannya. Karena besar kapasitansi yang tetap maka penyaluran daya reaktif dari kapasitor bank juga tetap. Kapasitansi dari kapasitor bank hanya menyalurkan daya reaktif untuk dapat membangkitkan tegangan generator pada saat keadaan tanpa beban. Apabila terjadi perubahan kecepatan putar atau perubahan beban, maka tegangan keluarannya juga ikut berubah. Ada banyak cara untuk mengatasi kekurangan yang terdapat pada kapasitor bank. Salah satu caranya ialah dengan menambahkan kapasitor kompensasi pada bagian saluran distribusi menuju beban atau dengan cara menambahkan induktor kompensasi yang diserikan terhadap kapasitor 23

kompensasi tersebut sehingga bekerja sebagai filter tegangan menuju ke beban agar tegangan yang dihasilkan lebih stabil. 2.5.1. Kapasitor Kompensasi Kapasitor merupakan suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Pada umumnya beban pada jaringan listrik adalah beban induktif. Contoh beberapa beban induktif yang ada di sebuah jaringan listrik, seperti heater, neon, motor listrik, dan lain lain. Sehingga beban listrik kebanyakan adalah beban inductive.untuk menghilangkan/ mengurangi komponen daya inductive ini diperlukan kompensator yaitu capacitor/ capacitor bank. Kapasitor bank adalah peralatan listrik yang bersifat kapasitif sebagai penyeimbang sifat induktif. Gambar 2.11 Konstruksi kapasitor Dasar perhitungan besarnya nilai kapasitor kompensasi ditentukan berdasarkan data name plate motor induksi tiga fasa, yaitu daya, tegangan, arus, factor daya, dan besar putaran (Wasimudin Surya S). P = 3 V I cos φ (2.14) S = 3 V I (2.15) Q = S 2 P 2 (2.16) Daya reaktif untuk perhitungan per phasa = Qc/3 Xc = V2 Qc (2.17) 24

C = 1 2.π.f.Xc (2.18) Dimana : Xc = Reaktansi yang diperlukan C = Kapasitor yang diperlukan F = Frekuensi yang dibutuhkan 2.5.2. Induktor Kompensasi Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif (kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik.sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya di dalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan. Nilai Induktansi sebuah Induktor (Coil) tergantung pada 4 faktor, diantaranya adalah : Jumlah Lilitan, semakin banyak lilitannya semakin tinggi Induktasinya Diameter Induktor, Semakin besar diameternya semakin tinggi pula induktansinya 25

Permeabilitas Inti, yaitu bahan Inti yang digunakan seperti Udara, Besi ataupun Ferit. Ukuran Panjang Induktor, semakin pendek inductor (Koil) tersebut semakin tinggi induktansinya. Jenis-jenis Induktor (Coil) Berdasarkan bentuk dan bahan inti-nya, Induktor dapat dibagi menjadi beberapa jenis, diantaranya adalah : Air Core Inductor Menggunakan Udara sebagai Intinya Iron Core Inductor Menggunakan bahan Besi sebagai Intinya Ferrite Core Inductor Menggunakan bahan Ferit sebagai Intinya Torroidal Core Inductor Menggunakan Inti yang berbentuk O Ring (bentuk Donat) Laminated Core Induction Menggunakan Inti yang terdiri dari beberapa lapis lempengan logam yang ditempelkan secara paralel. Masing-masing lempengan logam diberikan Isolator. Variable Inductor Induktor yang nilai induktansinya dapat diatur sesuai dengan keinginan. Inti dari Variable Inductor pada umumnya terbuat dari bahan Ferit yang dapat diputar-putar. Fungsi Induktor (Coil) dan Aplikasinya Fungsi-fungsi Induktor atau Coil diantaranya adalah dapat menyimpan arus listrik dalam medan magnet, menapis (Filter) Frekuensi tertentu, menahan arus bolak-balik (AC), meneruskan arus searah (DC) dan pembangkit getaran serta melipatgandakan tegangan. Berdasarkan Fungsi diatas, Induktor atau Coil ini pada umumnya diaplikasikan : Sebagai Filter dalam Rangkaian yang berkaitan dengan Frekuensi Transformator (Transformer) Motor Listrik Solenoid 26

Relay Speaker Microphone Gambar 2.12 Symbol induktor Reaktansi filter L yang kita pilih adalah nilai yang tertinggi dari pengukuran nilai harmonisa. Besar nilai reaktansi induktif filter yaitu : XL = Xc n2. (2.19) Besar nilia L yaitu : L = XL 2πf (2.20) 27