1 GENERATOR INDUKSI Generator induksi merupakan salah satu

GENERATOR INDUKSI
Generator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan
prinsip motor induksi untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan
dengan menggerakkan rotornya secara mekanis lebih cepat daripada kecepatan
sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi biasa umumnya dapat
digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator induksi
sangat berguna pada aplikasi-aplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin
angin, atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah,
karena dapat memanfaatkan energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana
(Wikipedia).
Untuk mengoperasikannya, generator induksi harus dieksitasi menggunakan
tegangan yang leading. Ini biasanya dilakukan dengan menghubungkan generator
kepada sistem tenaga eksisting. Pada generator induksi yang beroperasi standalone,
bank kapasitor harus digunakan untuk mensuplay 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 dengan
pertambahan kapasitansi.
Karakteristik torka-kecepatan mesin induksi seperti kurva pada Gambar 1,
memperlihatkan bahwa jika motor induksi diputar pada kecepatan yang lebih tinggi
daripada nsync oleh sebuah penggerak mula (prime mover) eksternal, arah torka
induksinya akan berbalik dan motor akan berlaku sebagai sebuah generator. Dengan
bertambahnya torka yang diberikan penggerak mula kepada porosnya, besar daya
yang dihasilkan oleh generator induksi ikut bertambah. Seperti diperlihatkan
gambar, terdapat nilai torka induksi maksimum yang mungkin pada mode operasi
generator. Torka ini disebut dengan torka pushover generator. Jika torka yang
diberikan penggerak mula kepada poros melebihi torka pushover, generator akan
overspeed.
Ada beberapa keterbatasan ketika mesin induksi beroperasi sebagai generator.
Karena tidak adanya rangkaian medan yang terpisah, generator induksi tidak dapat
menghasilkan daya reaktif. Dalam pengoperasiannya, generator induksi justru
mengonsumsi daya reaktif sehingga sumber daya reaktif eksternal harus terhubung
kepada generator sepanjang waktu untuk menjaga medan magnet statornya. Sumber
daya reaktif eksternal ini juga harus mengontrol tegangan teriminal generator. Tanpa
arus medan, generator induksi tidak dapat mengontrol tegangan keluarannya sendiri.
Normalnya, tegangan generator dijaga oleh sistem tenaga dimana generator tersebut
dihubungkan.
1
Gambar 1. Karakteristik torka-kecepatan pada motor induksi, memperlihatkan wilayah
operasi generator. Perhatikan torka pushover.
Satu keuntungan besar dari generator induksi adalah kesederhanaannya. Sebuah
generator induksi tidak memelukan rangkaian medan terpisah dan tidak harus diputar
secara terus-menerus pada kecepatan tetap. Selama putaran mesin masih lebih tinggi
daripada nsync dari sistem tenaga yang terhubung padanya, mesin akan tetap berfungsi
sebagai generator. Semakin besar torka diberikan kepada porosnya (sampai nilai
tertentu), maka akan semakin besar daya output yang dihasilkan.
Fakta bahwa tidak ada pengaturan rumit yang diperlukan membuat generator
induksi menjadi pilihan yang tepat untuk kincir angin, sistem pemanfaatan panas, dan
sumber-sumber daya tambahan serupa yang ditambahkan kepada sistem tenaga
eksisting. Pada aplikasi-aplikasi seperti itu, perbaikan faktor daya dapat dihasilkan oleh
kapasitor dan tegangan terminal generator induksi dapat dikontrol sistem tenaga
eksternal.
Generator Induksi Beroperasi Sendiri
Generator induksi juga dimungkinkan untuk beroperasi sebagai generator isolated,
yang tidak terhubung kepada sistem tenaga manapun selama terdapat kapasitor yang
dapat mensuplay daya reaktif yang dibutuhkan generator dan beban-beban yang
dihubungkan. Generator isolated seperti ini diperlihatkan pada Gambar 2.
2
Gambar 2. Sebuah generator induksi beroperasi sendiri dengan bank kapasitor untuk
mensuplay daya reaktif.
Arus magnetisasi IM yang dibutuhkan mesin induksi sebagai fungsi tegangan
terminal dapat dicari dengan menjalankan mesin sebagai motor pada keadaan tanpa
beban dan mengukur tegangan jangkarnya sebagai fungsi tegangan terminal. Kurva
magnetisasi seperti ini diperlihatkan pada Gambar 3a. Untuk mencapai level tegangan
yang diberikan pada generator induksi, kapasitor eksternal harus mensuplay arus
magnetisasi yang sesuai dengan level tersebut.
Karena arus reaktif yang dapat dihasilkan sebuah kapasitor berbanding lurus
dengan tegangan yang diberikan padanya, lokus dari semua kemungkinan kombinasi
tegangan dan arus yang melalui kapasitor berupa garis lurus. Plot tegangan vs arus
seperti ini pada frekuensi tertentu diperlihatkan Gambar 3b. Jika sekelompok kapasitor
tiga fasa dihubungkan kepada terminal generator induksi, tegangan tanpa beban
generator induksi adalah perpotongan kurva magnetisasi generator dengan garis beban
kapasitor. Tegangan terminal tanpa beban generator induksi untuk tiga kelompok
kapasitor berbeda diperlihatkan Gambar 3c.
Bagaimana tegangan dapat dibangkitkan ketika generator pertama kali di start?
Ketika generator induksi pertama kali mulai berputar, magnet sisa pada rangkaian
medannya menghasilkan tegangan yang kecil. Tegangan yang kecil itu menghasilkan
aliran arus kapasitif, yang menyebabkan tegangan naik, kemudian lagi menaikkan arus
kapasitif dan seterusnya sampai tegangan terbangkit penuh. Jika tidak ada fluks sisa
yang terdapat pada rotor generator induksi, maka tegangan tidak akan bisa
dibangkitkan, sehingga generator harus dimagnetisasi terlebih dahulu dengan
menjalankannya sebagai motor untuk beberapa saat.
3
Gambar 3. (a) Kurva magnetisasi generator induksi. Ini adalah plot tegangan terminal
mesin sebagai fungsi arus magnetisasinya (yang tertinggal dari tegangan
fasa sekitar 90°). (b) Plot karakteristik tegangan-arus bank kapasitor. Catat
bahwa semakin besar kapasitansi, semakin besar arusnya untuk tegangan
yang sama. Arus ini mendahului tegangan fasa sekitar 90°. (c) Tegangan
terminal tanpa beban untuk generator induksi isolated yang dapat diperoleh
dengan memplot bersama-sama karakteristik terminal generator dan
karakteristik tegangan-arus kapasitor. Perpotongan kedua kurva adalah titik
dimana daya reaktif yang diminta generator tepat diberikan oleh kapasitor,
dan titik ini menghasilkan tegangan terminal tanpa beban generator.
4
Permasalahan paling utama pada generator induksi adalah tegangannya yang
berubah drastis ketika beban berubah, khususnya pada beban reaktif. Karakteristik
terminal yang umum dari sebuah generator induksi yang bekerja sendiri dengan
kapasitansi paralel konstan diperlihatkan Gambar 4. Ingat bahwa pada kasus
pembebanan induktif, tegangan jatuh sangat cepat. Ini terjadi karena kapasitor yang
konstan harus mensuplay semua daya reaktif yang dibutuhkan baik oleh beban maupun
generator, dan semua daya reaktif yang dialihkan kepada beban mengembalikan
generator mendekati kurva magnetisasinya, menyebabkan penurunan besar pada
tegangan generator. Dengan demikian sangat sulit untuk menjalankan motor induksi
pada sistem tenaga yang disuplay oleh generator induksi. Teknik khusus harus
digunakan untuk meningkatkan kapasitansi efektif selama starting dan lalu
menurunkannya lagi selama operasi normal.
Gambar 4. Karakteristik tegangan-arus terminal generator induksi untuk beban dengan
faktor daya lagging yang konstan.
Karena sifat alami karakteristik torka-kecepatan mesin induksi, frekuensi
generator induksi berubah-ubah dengan perubahan beban, tapi karena karakteristik
torka-kecepatan sangat curam pada wilayah operasi normal, variasi frekuensi total
biasanya dibatasi di bawah 5 persen. harga variasi ini cukup dapat diterima pada
banyak aplikasi generator isolated atau emergency.
Aplikasi Generator Induksi
Generator induksi telah dikenal sejak awal abad 20, tapi antara tahun 1960-an
dan 1970-an hampir tidak lagi terlihat digunakan. Namun, generator induksi
membuat sebuah comeback sejak harga minyak yang mengejutkan pada 1973.
Karena mahalnya biaya untuk menghasilkan energi, pemanfaatan energi menjadi
5
bagian penting dari perekonomian kebanyakan proses industri. Generator induksi
ideal untuk aplikasi semacam ini karena hanya membutuhkan sedikit dalam sistem
kontrol dan pemeliharaannya.
Karena kesederhanaan dan ukuran yang kecil untuk tiap kilowatt daya output,
generator induksi juga sangat membantu dalam kincir angin yang kecil. Banyak
kincir angin komersial dirancang beroperasi parallel dengan sistem tenaga yang
besar, dengan mensuplay sebagian dari total kebutuhan daya konsumen. Pada
pengoperasian seperti ini, sistem tenaga dapat mengontrol tegangan dan frekuensi,
sedangkan kapasitor statis dapat digunakan untuk koreksi faktor daya.
M. Khairul Amri Rosa, MT
Sumber: “Electric Machinery Fundamentals”, Stephen J. Chapman, 4th ed, 2005.
6