ANALISA PENGARUH BESAR NILAI KAPASITOR EKSITASI TERHADAP KARAKTERISTIK BEBAN NOL DAN BERBEBAN PADA MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR (MISG) PENGUATAN SENDIRI Muhammad Habibi Lubis, Masykur Sjani Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering digunakan dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai penggerak, motor induksi juga dapat dijadikan sebagai generator atau sering juga disebut dengan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG). MISG memiliki kekurangan dalam hal efisiensi dan regulasi tegangan. Oleh karena itu pada penelitian kali ini akan menganalisis karakteristik motor induksi tiga fasa yang dioperasikan sebagai generator. MISG dioperasikan dalam keadaan beban nol dan keadaan berbeban dengan berbagai nilai kapasitor eksitasi yang telah ditentukan untuk mendapatkan parameter mesin. Dari hasil pengujian, nilai kapasitor eksitasi berbanding lurus dengan nilai tegangan yang dihasilkan, untuk C = 16 μF, tegangan yang dihasilkan V = 423 V, untuk C = 20 μF, tegangan yang dihasilkan V = 428 V, untuk C = 16 μF, tegangan yang dihasilkan V = 435 V. Diperoleh juga pada kondisi beban resistif dan putaran dijaga konstan maka regulasi dan efisiensi semakin kecil serta frekuensi dan slip yang dihasilkan konstan, yaitu 50 Hz dan -0,0167.
Kata Kunci: MISG, Kapasitor Eksitasi, Karakteristik Berbeban
semakin mendapat dikembangkan [1].
1. Pendahuluan Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator, walaupun generator induksi jarang digunakan alasannya karena generator induksi tidak mampu mengendalikan tegangan dan frekuensi pada kondisi berbeban dan kecepatan perputaran yang berubah. Namun, akhir–akhir ini karena cadangan sumber energi yang tidak terbarukan seperti minyak, gas bumi, batubara dan lain–lain dirasakan semakin menipis,maka pengembangan generator induksi penguatan sendiri yang digerakkan oleh energi angin, pembangkit mikrohidro, biogas dan lain–lain mulai menjadi
perhatian
untuk
Sebagai generator, karakteristik motor induksi dapat berubah–ubah dikarenakan penambahan beban. Putaran, frekuensi, tegangan, arus, faktor daya dan daya pada generator induksi dapat berubah–ubah dikarenakan pembebanan [2]. Karakteristik suatu generator induksi sangat mempengaruhi kinerja kerja dari suatu generator itu sendiri. Untuk itu dalam tulisan ini , penulis akan membahas tentang analisa pengaruh besar kapasitor eksitasi terhadap karakteristik beban nol dan berbeban.
-89-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret 2013
2. Motor Induksi Tiga Fasa Mesin induksi dapat dioperasikan sebagai motor maupun sebagai generator. 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 [3]. 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, bila generator induksi tidak tehubung dengan jala– jala, maka kebutuhan daya reaktif dapat disediakan dari suatu unit kapasitor. Kapasitor tersebut dihubungkan paralel dengan terminal keluaran generator. Kapasitor yang terpasang harus mampu memberikan daya reaktif yang dibutuhkan untuk menghasilkan fluksi di celah udara. Karena generator dapat melakukan eksitasi sendiri maka generator tersebut dinamakan generator induksi penguatan sendiri [4].
Gambar 3.1. Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi
Dari kurva karakteristik antara kecepatan dan kopel motor induksi (Gambar 3.1) [6 - 7] dapat dilihat, jika sebuah motor induksi dikendalikan agar kecepatannya lebih besar daripada kecepatan sinkron oleh penggerak mula, maka arah kopel yang terinduksi akan terbalik dan akan beroperasi sebagai generator. Semakin besar kopel pada penggerak mula, maka akan memperbesar pula daya listrik yang dihasilkan. Pada gambar karakteristik, generator mulai menghasilkan tegangan pada saat putaran rotor (nr) sedikit lebih cepat dari putaran sinkron (ns) mesin induksi tersebut.
3. Kapasitor Eksitasi
Pada mesin induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi. Jika belitan stator diberi tegangan tiga fasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga fasa, arus ini kemudian akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns) dan kemudian akan melakukan pengisian muatan ke kapasitor (C) yang dipasang parallel dengan stator yang tujuannya untuk mensuplai tegangan ke stator nanti untuk mempertahankan kecepatan sinkron (ns) motor induksi pada saat dilakukan pelepasan sumber tegangan tiga fasa pada stator [5].
Kapasitor eksitasi adalah salah satu sumber eksitasi yang digunakan sebagai penghasil daya reaktif pada generator induksi. Dengan eksitasi yang mencukupi, akan diperoleh kondisi optimal pengoperasian pembangkit dalam bentuk faktor daya dan efisiensi yang tinggi, regulasi tegangan yang rendah dan pada gilirannya akan memperbaiki keseluruhan performansi sistem [4]. Untuk sistem 3 fasa, kapasitor dapat dihubungkan dalam dua bagian yaitu: 1. Hubungan delta (∆) 2. Hubungan wye (Y)
-90-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret 2013
4. Pengujian dan Hasil Pengujian Untuk memperoleh data-data yang diinginkan untuk dianalisis selanjutnya, maka dilakukan beberapa pengujian, yaitu pengujian beban nol dan berbeban. Pengujian beban nol bertujuan untuk mengetahui karakteristik motor induksi sebagai generator pada saat beban tidak terpasang. Rangkaian beban nol motor induksi sebagai generator ditunjukkan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.2. Rangkaian pengujian berbeban MISG
Adapun data hasil pengujian berbeban MISG ditunjukkan pada Tabel 4.2. Tabel 4.3 Data hasil pengujian berbeban MISG
CΔ/ fasa (μF)
16 μF
Gambar 4.1. Rangkaian pengujian beban nol MISG
Adapun data hasil pengujian beban nol MISG ditunjukkan pada Tabel 4.1. Tabel 4.1 Data hasil pengujian beban nol MISG CΔ/fasa (μF)
Vout (L-L)
ns
nr
16
423
3000
3050
20
428
3000
3050
24
435
3000
3050
20 μF
24 μF
Dan untuk mengetahui karakteristik motor induksi sebagai generator pada saat beban terpasang, maka dilakukan pengujian berbeban. Rangkaian berbeban motor induksi sebagai generator ditunjukkan pada Gambar 4.2.
Slip
Vout (L-L)
IL (A)
IC (A)
nr
150
416
0,28
0,12
3050
50
-1,67
250
389
0,42
0,17
3050
50
-1,67
400
370
0,65
0,2
3050
50
-1,67
150
421
0,34
0,15
3050
50
-1,67
250
398
0,47
0,19
3050
50
-1,67
400
382
0,71
0,26
3050
50
-1,67
150
429
0,41
0,2
3050
50
-1,67
250
408
0,54
0,24
3050
50
-1,67
400
394
0,81
0,32
3050
50
-1,67
Load (watt)
f (Hz)
(%)
Pengujian dilakukan di laboratorium Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (P4TK) Medan. Segala peralatan digunakan sesuai dengan perlengkapan Laboratorium P4TK Medan dan inventaris penulis sendiri.
-91-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret 2013 Maka,
Karakteristik beban nol dan berbeban suatu MISG [1] sangat mempengaruhi regulasi tegangan dan efisiensi MISG tersebut. Oleh karena itu, tulisan ini juga menganalisa regulasi tegangan dan efisiensi. Regulasi tegangan adalah kehandalan suatu sistem dalam mempertahankan kestabilan tegangan. Rumus regulasi tegangan ditunjukkan pada Persamaan 4.1.
VR
Pout x 100% Pin
η=
=
150 153,12
x 100%
= 97,8 % Demikian selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai efisiensi dari pembebanan dan harga kapasitor yang lainnya, ditunjukkan pada Tabel 4.3.
Vnl Vfl 100% .........................(4.1) Vfl
Untuk C=16 μF ; Pout = 150 watt VR =
= =
Tabel 4.3 Hasil perhitungan pengaruh karakteristik beban nol dan berbeban terhadap regulasi tegangan dan efisiensi pada MISG
Vnl Vfl 100% Vfl
CΔ/ fasa (μF)
423 416 100% 418 1,683 %
16 μF
Demikian selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai regulasi tegangan dari pembebanan dan harga kapasitor yang lainnya, ditunjukkan pada Tabel 4.3. Efisiensi adalah kemampuan suatu sistem dalam menjaga keseimbangan pada pengeluaran yang dibutuhkan sesuai dengan dengan batas kemampuan. Rumus Efisiensi ditunjukkan pada Persamaan 4.2.
20 μF
P P Ploss out in 100% Pin Pin
24 μF
Vout (L-L)
I1 (A)
f (Hz)
nr
150
416
0,4
50
3050
0,98
1,683
97,8
250
389
0,59
50
3050
0,98
8,74
95,7
400
370
0,85
50
3050
0,97
14,3
91,4
150
421
0,49
50
3050
0,96
1,662
96,4
250
398
0,66
50
3050
0,96
7,53
94,7
400
382
0,97
50
3050
0,95
12,04
89,1
150
429
0,61
50
3050
0,96
1,398
95,3
250
408
0,78
50
3050
0,94
6,62
92,6
400
394
1,13
50
3050
0,93
10,41
85,8
Load (watt)
Cos
VR (%)
η (%)
Pout ...............................(4.2) Pout PLoss Dari data pengujian dan hasil perhitungan maka dapat dilihat kurva analisa pengaruh besar nilai kapasitor eksitasi terhadap karakteristik beban nol dan berbeban serta pengaruh karakteristik beban nol dan berbeban terhadap regulasi tegangan dan efisiensi, pada Gambar 4.3, 4.4, 4.5, dan 4.6.
Untuk CΔ/fasa = 16 μF; P = 150 W
Pin = Pout + PLoss = 150 + 3. I12. R1 = 150 + 3. (0,4) 2. 6,475 = 153,12
-92-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret 2013
Gambar 4.3. Kurva pengaruh kapasitor eksitasi terhadap karakteristik beban nol
Gambar 4.6. Kurva pengaruh karakteristik beban nol dan berbeban terhadap efisiensi
5. Kesimpulan Dari tulisan kesimpulan bahwa:
ini
dapat
diperoleh
1. Dari analisa data dapat dilihat bahwa semakin besar nilai kapasitor eksitasi maka tegangan yang dihasilkan semakin besar. Hal ini disebabkan karena semakin besar nilai kapasitor eksitasi maka daya reaktif semakin besar, sehingga tegangan dihasilkan semakin baik (besar pula). 2. Dari data pengujian dapat dilihat bahwa frekuensi dan slip konstan, hal ini disebabkan putaran rotor dijaga konstan, (frekuensi dan slip dipengaruhi kecepatan putar rotor). 3. Dari data pengujian diperoleh arus beban (IL) semakin besar, dan tegangan semakin kecil jika beban yang digunakan semakin besar. Hal ini disebabkan semakin besar beban, daya reaktiv yang disuplai semakin besar pula. Karena penyuplaian daya reaktif termasuk beban yang dipikul oleh generator induksi maka arus beban (IL) semakin besar, dan tegangan semakin kecil. 4. Dari data pengujian dapat diperoleh semakin besar kapasitor eksitasi, faktor daya yang dihasilkan stabil atau malah cenderung menurun. Hal ini disebabkan daya reaktif mengakibatkan faktor daya menjadi leading sehingga semakin besar daya reaktiv yang diberikan semakin leading faktor daya yang dihasilkan.
Gambar 4.4. Kurva pengaruh kapasitor eksitasi terhadap karakteristik berbeban
Gambar 4.5. Kurva pengaruh karakteristik beban nol dan berbeban terhadap regulasi tegangan
-93-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 1 NO. 3/Maret 2013 [7] Theraja, B.L. & Theraja, A.K., “A Text Book of Electrical Technology”, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001.
5. Dari analisa data diperoleh, semakin besar nilai kapasitor eksitasi maka regulasi tegangan semakin kecil (baik). Hal ini disebabkan semakin besar nilai kapasitor, tengan yang dihasilkan semakin besar. 6. Dari analisa data diperoleh, semakin besar nila kapasitor maka efisiensi semakin kecil (buruk). Hal ini disebabkan semakin besar nilai kapasitor eksitasi, maka arus kapasitor (IC) semakin besar, dan IC termasuk beban.
6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ayahanda dan Ibunda, Alm. H. Alian Lubis dan Suriani, Bapak Ir. Masykur Sjani, M.T bimbingannya dalam penulisan jurnal ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Panusur SML Tobing, Ir.Raja Harahap, M.T dan Ibu Ir. Windalina Syafiar yang telah memberikan saran-saran yang membangun dalam penulisan jurnal ini.
7. Referensi [1] Surya, Wasimudin “Analisis Karakteristik Motor Induksi Sebagai Generator Pada Pembangkit Listrik Generator”, UPI, Bandung. [2] Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Edisi ke-5, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995. [3] Lister, E.C., “Mesin dan Rangkaian Listrik”, Sixth Edition, McGraw-Hill, Inc., 1984.diterjemahkan oleh : Ir.Drs. Gunawan, H., P.T. Gelora Aksara Pratama, 1993. [4] Boldea, I., and Nasar, S.A.,“Induction Machines Handbook”, CRC Press LLC, Boca Raton, Florida, 2002. [5] Chapman, Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals”,Third Edition Mc Graw Hill Companies, New York, 1999. [6] Wildi, Theodore., ”Electrical Machines, Drive, Power Systems, Fifth Edition, Prentice Hall, 2002.
-94-
copyright @ DTE FT USU
