Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai Generator

JETri, Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai
Generator: Penentuan Nilai Kapasitor
Untuk Penyedia Daya Reaktip
Chairul Gagarin Irianto
Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti
Abstract
A squirrel cage induction motors are frequently used due to its merits such as strong and
rigid construction, easy maintenance, low cost, and easy to get from the market. For every
conservation, induction motor is frequently used as a generator for the above reasons. The
operation of motor as an induction generator needs reactive power. Reactive power can be
obtained from the grid. If the induction generator separated or isolated from the grid,
reactive power can be obtained from capacitor. Capacitor can be installed at the induction
motor terminals. The capacitor value will determine the generator load. If the load is
increasing, the voltage will drop. From the experiment, we can determine the suitable
capacitor value for the load capacity provided by the induction generator.
Keywords: energy conservation, reactive power, suitable capacitor value
1. Pendahuluan
Untuk menghasilkan energi listrik dapat digunakan berbagai cara,
salah satu cara yang paling umum digunakan adalah mengubah energi
mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik dari penggerak mula
digunakan untuk memutar generator. Generator inilah yang selanjutnya
mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Pada umumnya generator yang dipakai adalah jenis generator
sinkron. Karena generator tersebut lebih stabil saat terjadinya perubahan
beban. Pada kasus ini sebagai bahan studi dipakai generator induksi. Alasan
mengapa digunakan generator induksi untuk dianalisa karena generator
induksi ini memiliki keunggulan dari segi harga dan perawatannya selain itu
kontruksinya yang sederhana rotor tanpa sikat (rotor sangkar), tidak
memakai penguatan dc (Djoekardi, 1996: 2-3). Di negara maju dan
berkembang dimana upaya konservasi energi merupakan suatu kebutuhan
pemakaian generator induksi telah banyak dijumpai pada system
pembangkit listrik tenaga angin, biogas dan lain – lain.
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
2. Aplikasi Generator Induksi pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Generator induksi sering dipasang guna mencukupi suplai daya
tambahan untuk beban di daerah terpencil dimana layanan saluran
transmisinya terbatas. Dengan segala keunggulan yang disebutkan diatas
adalah pilihan yang tepat pada kasus ini digunakan mesin induksi sebagai
generator.
Penggunaan generator induksi pada system pembangkit tenaga
angin dimana mesin atau kincir angin yang memutar generator tidak
mengharuskan pada kecepatan sinkronnya. Dengan demikian, jika daya
yang dibangkitkan tidak mensyaratkan frekwensi dan tegangan tetap maka
generator dapat dioperasikan stand alone, atau terisolasi, terlepas dari
saluran publik (Chan, 1993: 2-3). Jenis beban yang dapat dilayani oleh
generator induksi ini diantaranya adalah mesin pompa air, kipas angin atau
pemanas.
Angin hampir ada di setiap permukaan bumi, tetapi hanya sedikit
daerah yang bisa memanfaatkan angin sebagai sumber energi. Daerah
tersebut terutama terdapat dibelahan bumi bagian utara dan selatan, yaitu
didaerah dimana keadaan angin cukup stabil kekuatan dan frekuensinya.
Contohnya di Swedia dan Jerman banyak unit tenaga angin dibangun di
wilayah sepanjang pantai negara ini. Juga didaerah pegunungan. Gambar 1.
merupakan contoh dari skema unit tenaga angin (Thedy, 2003: 4).
Gambar 1. Unit tenaga angin
2
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
3. Teori Generator Induksi
Kurva karakteristik Kopel – Kecepatan mesin induksi untuk
berbagai mode operasi terlihat pada Gambar 2. berikut;
TMax
Kopel
T
Ta
Daerah Pengereman
Daerah Motor
Daerah Generator
TMin
2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
Slip
0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 -1,4
Gambar 2 Kurva Karakteristik Kopel - Selip
Jika pada lengkung kopel-putaran, kopel dan putaran mempunyai
tanda yang berlawanan sehingga perkalian kopel nominal,Tn dan putaran
menjadi negatif, maka mesin induksi bekerja sebagai generator. Yang akan
diperhatikan adalah harga kopel T negatif dan putaran positif, jadi pada slip
negatif. Itu artinya motor induksi diputar melebihi kecepatan sinkronnya
(Djoekardi, 1996: 39).
Untuk diagram Heyland (dapat dilihat gambar 3 pada halaman
berikut ini) hal ini berarti komponen watt Iw dari arus I adalah negatif
terhadap tegangan V, sehingga perkalian VI cos 
menjadi negatif.
Komponen daya reaktif atau komponen buta Ib dari arus I masih positif,
mesin masih harus mendapat arus buta dari luar dalam hal ini dari kapasitor.
Perubahan pembebanan mengakibatkan perubahan putaran dan
arus buta yang diperlukan mesin. Diagram Heyland berlaku untuk frekuensi
atau tegangan tertentu karena kejenuhan inti besi dan frekuensi dapat
mempengaruhi reaktansi-reaktansi mesin.
3
V
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372

Ib
Iw
Im
Gambar 3. Diagram Heyland Kerja Generator
Pemasangan Kapasitor
Jika generator induksi langsung dihubungkan ke jala-jala maka
daya reaktif disediakan oleh jala-jala. Jika generator induksi bekerja sendiri
maka diperlukan penyedia daya reaktif. Dan daya reaktif tersebut didapat
dari kapasitor yang dipasang pada terminal generator tersebut. Besarnya
nilai kapasitor tersebut ditentukan dari diagram Heyland yaitu dari besarnya
arus buta yang diperlukan pada beban tertentu (Murthy & Malik, 1982: 33).
xc 
c
Vn
Ib
1
2 fxc
…………………………………………………. (1)
…………………………………………………. (2)
dimana:
Vn  tegangan nominal.
I b  Arus buta didapat dari diagram Heyland
xc  reaktansi yang diperlukan untuk menyediakan arus buta
4
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
c  nilai kapasitor yang diperlukan untuk menyediakan arus buta
f  frekuensi yang diinginkan
4. Analisis Percobaan Generator Induksi
Pada percobaan generator induksi ini dipakai penggerak 4 buah
motor arus searah penguatan terpisah masing-masing dengan daya 100 watt.
Sedangkan generatornya dipakai motor kapasitor dengan data sebagai
berikut:
V = 220 Volt
I = 0.64 A
f = 50 Hz
Putaran 2900 rpm
c = 6F
Hubungan rangkaian pada generator induksi seperti pada gambar 4.
dibawah ini:
beban
P
V
Pf
A
V1
A1
Vc
6 F
A2
Gambar 4. Rangkaian Pembebanan Generator Induksi
5
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
PLN
Im
Vm
MAS
4x
Induction
generator
Va
Ia
Gambar 5 Rangkaian percobaan Generator Induksi
Dari hasil percobaan beban nol dan hubung singkat diperoleh nilai
parameter belitan dan inti dari motor induksi yaitu:
rc
= 9680 
xc
= 3308,27 
cos  = 0,32
r1 = r2 = 13,43 
x 1 = x 2 = 27,72 
Selanjutnya dari diagram Heyland:
6
Im 
Vn
rc jxc
rc  jxc
Im 
220 j
 0.066  0.023 j
9680x3308.27 j
9680  3308.27 j
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
I 2 max 
Vn
220

 3.97 A
x1  x 2 27,72  27,72
jadi jari-jari lingkaran Heyland adalah:
I 2 max 3.97

= 1,99 A
2
2
Dari hasil pengukuran didapat data sebagai berikut:
Tabel 1. Hasil Pengukuran Pembebanan Generator
Beban

I m Vm I a V a
P
A
V
Pin
0
0,26
270
0
0
245
168,8
A
0,255 130 0,63 275
50
0,2
225
206,4 24,22
B
0,255 130 0,65 285
66
0,4
180
218,4 30,22
130
0,5
pf V1 Vc A1 A2 n
220 350
0,7
0,7 3000
1
220 310
0,7
0,7 3005
1
175 250 0,55 0,55 3005
Catatan:

pf
n
: efisiensi
: power faktor
: putaran motor(rpm)
Beban 0 : tanpa beban
Beban A : ( 3 lampu @15W)
Beban B : (1 lampu @ 60 W + 2 lampu @ 15W)
Karena kapasitor dalam motor induksi running kapasitor diseri dengan
belitan maka nilai kapasitor tersebut berubah dan dari hasil percobaan:
Tegangan = 225 volt maka diperoleh daya = 50 watt
Tegangan = 180 volt maka diperoleh daya = 66 watt
maka dapat diperkirakan pada tegangan 220 volt dayanya adalah :
P = 50 + (225 – 220)
66  50
= 51,78 watt
225  180
7
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
IpT =
51,78
= 0,235
220
Ipq = IpT + IqT
Ipq = 0,235 + 0,023 = 0,258
Iqm =
=
I mp  I pq
2
2
1,992  0,2582
= 1,973
Ipoq = Ipom - Iqm
Ipoq = 1,99 – 1,973 = 0,017Ipom - Iqm
Ib = Ioa + Ipoq
Ib = 0,066 + 0,017
= 0,083
xc 
Vn
Ib
220
= 2650,6 
0,083
1
c
2fxc
xc 
c=
1
2f 2650,6
= 1,2 F
8
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
5. Analisis Pemakaian Kapasitor
Jika pada penggunaan kapasitor 1F parallel dengan beban maka
nilai kapasitor nya menjadi 2.2F menurut teori akan bekerja baik pada
harga beban sebagai berikut:
A
beban
P
A4
1F
V
Pf
A3
V1
Vc
A1
6 F
A2
Gambar 6. Rangkaian Pembebanan Generator Induksi
Tabel 2. Hasil Pengukuran Pembebanan Generator
V

n
Beban
I m Vm I a V a
P
A
0
0,26 130 0,58 260
0
0
A
0,26 130 0,75 275 60
B
0,26 130 0,85 280 100 0,45 230 271,8 36,79 0,99 215 320 0,67 0,65 3040
Pin
280 184,6
pf V1 Vc A1 A2
0,2 230 380 0,75 0,75 3000
0,3 250 240,05 24,99 0,95 225 360 0,7 0,7 3005
9
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
Catatan: Power factor leading
c=
1
2 fxc
xc =
=
1
2 fc
1
2 50x2,2F
= 1447,6 
xc =
Vn
Ib
Ib =
Vn
xc
=
220
1447,6
= 0,152 A
dengan menggunakan rumus segitiga maka:
Ipq =
I mp  I qm
2
2
Ip0q = Ib - I0A
Ip0q = 0,152 – 0,066 = 0,086
Iqm = Ipom - Ipoq
Iqm = 1,99 – 0,086 = 1,9-4
10
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
Ipq =
1,992  1,9042
= 0,579
IpT = Ipq - IqT
IpT = 0,579 – 0,023
= 0,556
maka daya keluar maksimum generator menurut perhitungan adalah:
Pout = 220 x 0,556
= 122,32 watt
Dihitung kecepatan putarannya:
Ig = PoPg =
Ig =
I poq  I pq
2
2
0,0862  0,5792
= 0,585
Ig 
V
r2
r1   ( x1  x 2 ) j
s
Ig 
220

13,43 
13,43
 (27,72  27,72) j
s
220
b  55,44 j
11
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
2202
b 2  55,44 2
0,5852 
2
 220 
b + 55,44 = 
 = 141427,42
 0,585 
2
2
b = 371,96
Karena
b = 13,43 +
13,43
s
sehingga:
s = 0,037
Karena bekerja sebagai generator diambil harga slip yang negatip maka:
s = -0,037
s=
ns  n
n
=1ns
ns
Maka
 0,037  1 
n
3000
n = 1,037 x 3000
= 3111 rpm
jadi generator bekerja pada kecepatan 3111 rpm.
6. Analisis Perubahan Frekuensi
Jika generator bekerja pada frekuensi 40 Hz maka yang berubah adalah xc,
x1 , x2 sehingga:
x = jL
12
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
x50 = j250L
L=
x50
j 2 50
besarnya L tetap
x40 = j240L
x40 = j240
x50
j 2 50
40
x50
50
x40 =
xc =
40
3308,27  = 2646,66
50
x1 =
40
27,72  = 22,18
50
x2 = x1 = 22,18 
Dari diagram Heyland, gambar 7 pada halaman berikut ini.
Im 
Vn
rc jxc
rc  jxc
Im 
220 j
9680x 2646.66 j
9680  2646.66 j
 0.083  0.23 j
13
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
I2 max =
Vn
x1  x 2
I2 max =
220
= 4,96 A
22.18  22.18
Jadi jari-jari lingkaran Heyland adalah :
I 2 max 4.96
=
= 2,48 A
2
2
40 Hz
50 HZ
Gambar 7. Diagram Heyland 50 dan 40 Hz
Pada penggunaan kapasitor 1F parallel dengan beban dimana
nilai kapasitornya menjadi 2,2F menurut perhitungan seperti langkahlangkah sebelumnya (Analisa Pemakaian Kapasitor) maka generator akan
bekerja baik pada beban, Pout = 89,98 watt.
7. Analisa Perubahan Tegangan
Jika tegangan turun menjadi 200 volt, frekuensi tetap maka dari diagram
Heyland:
14
Chairul G. Irianto, Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator: Penentuan
Im 
Vn
rc jxc
rc  jxc
I m  0.061  0.021 j
I2 max =
Vn
x1  x 2
I2 max =
200
27,72  27,72
= 3,61 A
jadi jari-jari lingkaran Heyland adalah :
I 2 max 3,61
=
= 1,81 A
2
2
Secara skematik setiap perubahan tegangan dapat digambarkan
pada diagram Heyland Gambar 8. berikut ini.
240 v
220 v
200 v
Gambar 8. Perbandingan tegangan pada Heyland
15
JETri, Tahun Volume 3, Nomor 2, Februari 2004, Halaman 1-16, ISSN 1412-0372
Pada penggunaan kapasitor 1F paralel dengan beban maka harga
kapasitor menjadi 2,2F (dapat dilihat pada Analisa Pemakaian Kapasitor)
generator bekerja baik pada beban Pout = 100,2 watt.
Jika tegangan naik menjadi 240 volt, frekuensi tetap maka seperti
pada tegangan 200 Volt dan frekwensi tetap maka daya keluar maksimum
generator menurut perhitungan adalah:
Pout = 240 x 0,603 = 144,72 watt
8. Kesimpulan
Setelah membuat generator induksi running kapasitor dan
mempelajarinya maka dapat ditarik kesimpulan:
1. Motor induksi rotor sangkar running kapasitor bisa berfungsi sebagai
generator jika disediakan daya reaktif pada terminalnya.
2. Jika generator induksi tidak dihubungkan langsung ke jala-jala maka
daya reaktif bisa disediakan oleh kapasitor.
3. Motor induksi bekerja sebagai generator jika kecepatan putarannya
melebihi kecepatan sinkronnya.
4. Generator induksi rotor sangkar memiliki keunggulan jika dibandingkan
dengan generator sinkron dalam hal perawatan karena tidak memakai
sikat arang dan tidak memerlukan penguatan DC.
5. Pada generator induksi perubahan beban berpengaruh pada tegangan
yang dihasilkan, untuk memperoleh tegangan yang stabil diperlukan
perubahan nilai kapasitor sesuai dengan perubahan beban.
Daftar Pustaka
1. Chan, T.F., “Capacitance Requirements of self-exicited induction
generators”, IEEE Transactions on energy conversion, Vol.8, no. 2, June
1993.
2. Djoekardi, Djuhana: Mesin-mesin Listrik Motor Induksi (Jakarta:
Universitas Trisakti, 1996).
3. Murthy and Malik., “Analysis of self-excited induction generators”, IEE
PROC.,Vol. 129, Pt. C. No. 6, NOVEMBER 1982.
4. Thedy Afdullah Fandy, “Mengoperasikan Motor Induksi Running
Kapasitor Sebagai Generator”, Jurusan Teknik Elektro, FTI Usakti, 2003
16