ANALISA PENGGUNAAN GENEATOR INDUKSI TIGA FASA PENGUATAN SENDIRI UNTUK SUPLAI SISTEM SATU FASA Maulana Ardiansyah, Teguh Yuwono, Dedet Candra Riawan Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
II.
Abstrak—Generator induksi tiga fasa untuk sistem satu fasa dimanfaatkan untuk daerah terisolasi karena banyak beban yang digunakan adalah beban satu fasa. Untuk mengoperasikannya sebagai generator induksi dibutuhkan sistem eksitasi. Sistem eksitasi pada generator induksi menggunakan bantuan kapasitor yang terpasang secara seri dan paralel. Pada tugas akhir ini digunakan mesin induksi dengan rotor sangkar 2.2 kW. Ketika generator beroperasi untuk beban satu fasa maka akan terjadi ketidakseimbangan arus yang mengalir pada tiap fasanya. Hasil simulasi menunjukkan dengan operasi ini dan nilai kapasitor yang sesuai dapat meningkatkan daya keluaran dari mesin.
BEBAN SATU FASA
A. Rangkaian ekivalensi Untuk mempermudah dalam menganalisa, penulis mengasumsikan beberapa hal sebagai berikut : 1) Parameter mesin yang diperhitungkan hanya reaktansi magnetisasi dipengaruhi oleh saturasi magnetis. 2) Beban yang digunakan hanya untuk beban resistif 3) Rugi inti dari mesin induksi diabaikan 4) Harmonisa pada air-gap diabaikan
Kata kunci—generator induksi, sistem eksitasi, dan kapasitor
I.
PEMODELAN GENERATOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN
B. Penurunan rumus rangkaian ekivalensi Xcs : Reaktansi kapasitor Cs Xcp : Reaktansi kapasitor Cp Xm : Reaktanasi magnetisasi per fasa F : Frekuensi generator per unit R1,R2 : Resistansi per fasa stator dan rotor X1,X2 : Reaktansi per fasa stator dan rotor R : Resistansi beban δ : Kecepatan putar rotor Ze : Ekivalensi impedansi antara beban dan kapasitor Cp Zgp : Komponen sekuen positif dari impedansi generator Zgn : Komponen sekuen negatif dari impedansi generator S : Slip Iu, Iv, Iw : Arus fase stator
PENDAHULUAN
P
ENURUNAN bahan fosil dan meningkatnya kepedulian masyarakat terhadap kondisi lingkungan maka masyarakat berusaha menemukan terobosan dalam enegi alternatif. Pada tugas akhir ini dibahas teknologi dalam pemanfaatan energi terbarukan. Generator induksi dapat diaplikasikan sebagai solusi pembangkit listrik energi terbarukan. Generator induksi memiliki banyak keuntungan meliputi biaya mesin yang murah, sedikit perawatan, mudah dalam pengoperasian, dan tidak membutuhkan sistem eksitasi DC secara terpisah [1,2]. Namun generator induksi satu fasa memiliki kelemahan. Untuk daya yang lebih dari 3 kW, mesin ini memiliki harga yang mahal, tidak banyak tersedia dipasar dan memiliki efisiensi yang rendah. Sedangkan mayoritas beban yang digunakan masyarakat adalah peralatan satu fasa. Sehingga, jika menggunakan mesin satu fasa biaya juga akan mahal. Ketika menggunakan mesin tiga fasa hasil keluaran ini jarang digunakan akibat banyak peralatan butuh satu fasa. Untuk mesin dengan daya lebih dari 3 kW, mesin tiga fasa lebih mudah didapat dan relatif lebih murah dibanding mesin induksi 1 fasa. Pada tugas akhir ini dibahas pemanfaatkan mesin tiga fasa untuk menghasilkan suplai satu fasa. Untuk melakukannya, dibutuhkan sistem eksitasi dengan bantuan kapasitor seri (Xcs) dan paralel (Xcp) pada keluaran generator induksi. Oleh karena itu dibutuhkan teknologi pemasangan sistem eksitasi dan nilai eksitasi tertentu untuk memfungsikan generator induksi tiga fasa untuk suplai satu fasa.
Gambar 1. Operasi Generator Induksi Untuk Beban Satu Fasa.
1
Zgp F
−j
X cs F2
R1 F
C. Performa generator induksi Pada tugas akhir ini variabel mesin induksi yang digunakan sebagai berikut: [2] • Jenis rotor : Rotor sangkar tupai • Daya ouput : 2.2 kW • Tegangan terminal : 200 V • Arus : 9.1 A • Frekuensi : 50 Hz • Cos ϕ : 0.7 : 0.8 Ohm • R1 • R2 : 0.64 Ohm : 0.87 Ohm • X1=X2 • Kecepatan putar (δ) : 1500 rpm
jX 2 '
jX 1
jX m
Rl 3F
R2 ' F −δ
I1 p
Ze 3F
I1n
j
X − j cs2 F
−j
Zgn F
X cp
X cs 3F 2
jX m
3F 2 jX 2 '
jX 1
R1 F
R2 ' F +δ
Gambar 2. Gambar Rangkaian Ekivalensi Generator Induksi Untuk Beban Satu Fasa.[1]
Dari nilai diatas diubah dalam bentuk p.u dengan rumus sebagai berikut:
Eg : Tegangan terbangkit pada generator I1p, I1n : Arus stator urutan positif dan negatif Dari gambar 2didapatkan rumus impedansi total dengan metode impedansi. Kemudian dilakukan analisa secara loop yang melewati Zgp, Zgn dan Ze. Dari gambar 2 terdapat loop arus I1p dapat dituliskan [1,2]
ZI1 p = 0
Sehingga dari rangkaian generator induksi untuk beban satu fasa didapatkan persamaan impedasi sebagai berikut:
Z gn
Untuk membuat sistem ini bernilai 0 nilai I1p tidak mungkin 0. Oleh karena itu pembuat 0 adalah Z. Ketika nilai Z = 0 maka komponen penyusun Z yaitu bagian real dan imijiner harus 0. Hasil dari persamaan ini akan menghasilkan dua buah persaaman nonlinier untuk mencari nilai Xm dan F.
Z gn
(
Z _ base =
kV _ Base 2 MVA _ Base
(4)
Daya ouput Tegangan terminal Arus Frekuensi Cos ϕ R1 R2 X1=X2 Kecepatan putar (δ)
: 1 p.u : 1 p.u : 1 p.u : 1.p.u : 0.7 : 0.062 p.u : 0.05 p.u : 0.085 p.u : 1 p.u
D. Menghitung reaktansi magnetisasi Untuk menghitung karakteristik dari generator dari persamaan 1, yang perlu diperhatikan adalah menghitung terlebih dahulu nilai reaktansi magnetisasi (Xm) dan frekuensi sistem (F) dan untuk inisialisasi awal dengan menetukan nilai beban (Rl), kapasitor (Xcp dan Xcs), dan kecepatan putar (δ). Untuk menyelesaikan persamaan ini digunakan bantuan MATLAB dalam bentuk m.file. metode yang digunakan penulis dalam mendapatkan nilai Xm dan F dengan iterasi. Dalam paper [1] dinyatakan bahwa untuk menghitung nilai Z memperbolehkan toleransi nilai Z hingga 0.0001.
X cs Z e X + j cs2 ) )( 2 X cs 3 3 F F F F Z(Xm, F) = −j 2 + Z Ze X X F F + j cs2 + gn − j cs2 3F 3F F F Z gp
(3)
• • • • • • • • •
X Z X − j cs2 )( e + j cs2 ) X cs 3F (2) F 3F −j 2 + F Z= Ze X cs Z gn X F F +j 2+ − j cs2 3F 3F F F Z gp
MVA _ Base 3kV _ Base
Kemudian ditentukan nilai MVA base , kV base, dan kecepatan base. Masing – masing sama dengan rating mesin yaitu 2.2 kW, 200 V, dan 1500 rpm. Sehingga didapatkan nilai variabel dalam p.u sebagai berikut :
(1)
(
I _ base =
−j
Dan untuk menyelesaikan persamaan ini digunakan bantuan MATLAB dalam bentuk m.file untuk membantu penulis untuk mendapatkan nilai Xm dan F. Selain komponen positif, negatif dan beban, persamaan Z tersusun atas komponen real dan imajiner. Komponen ini muncul dari nilai reaktansi induktif dan kapasitif dari induktor dan kapasitor. Dari persamaan ini akan dicari beberapa variable-variable seperti Xm dan F untuk mendapatkan nilai reaktansi magnetisasi dan frekuensi yang dihasilkan. Sehingga dari persamaan ini ada kesulitan yaitu mendapatkan dua buah variable dari satu persamaan. Namun dari persamaan ini sebenarnya terdapat dua buah persamaan. Ketika persamaan dari Z ini dijabarkan akan didapatkan komponen real dan imajiner. Sehingga dapat dipisahakan antara real dan imajiner untuk mendapatkan nilai Xm dan F.
E. Identifikasi tegangan terbangkit (Eg) Setelah mendapatkan nilai Xm dan F pada kondisi berbeban, langkah selanjutnya adalah menidentifikasi nilai tegangan terbangkit (Eg) berdasarkan nilai Xm. Untuk itu digunakan hubungan grafik antara (Eg) dan Xm [2]. Gambar 3 merupakan grafik yang didapatkan dari referensi [2] yang menunjukkan hubungan Eg dan Xm pada frekuensi base.
2
Gambar 3. Grafik Hubungan Tegangan Terinduksi (Eg) dengan Reaktansi Magnetisasi (Xm) [2]
Gambar 4 Hubungan Nilai Xm Dan Frekuensi (F)
B. Perhitungan tegangan terbangkit Nilai tegangan terbangkit dihubungkan dengan reaktansi magnetisasi. Ini berdasarkan gambar 3 membentuk persamaan garis lurus dihubungkan antar titik menjadi sebagai berikut:
F. menghitung karakteristik generator induksi Dengan nilai Eg dan Xm , beberapa karakteristik dapat dihitung dengan beberapa persamaan beriku ini:
I1 p =
Eg (5) Z gn X cs Z e X cs − j 2 )( + j 2) ( X R1 3F F 3F + jX 1 − j cs2 + F Z Z 2 X F F e cs −j + gn 3F 3F 2 F
Ze X + j cs2 3F 3F I1n = − I1 p 2 X cs Z gn Ze −j + 3F 3F 2 F X − j cp2 F I= (I + I ) X cp 1 p 1n Rl −j 2 F F V = Rl I
(8)
Po = I R
(9)
2
III.
1) Xm ≤ 25.51
Eg = −1.92 Xm + 156.32
2) 25.51 < Xm ≤ 31.29
Eg = −3.31Xm + 191.8
3) 31.29 < Xm ≤ 32.19
Eg = −12.21Xm + 470.15
4) 32.19 > Xm
Eg = 0
Penyebabnya tidak terbangkitnya karena semakin berkurangnya kecepatan putar dari turbin (δ) maka kebutuhan Xm akan semakin besar. Pada nilai kecepatan putar tertentu, akan menyebabkan tegangan terbangkit (Eg)=0 yaitu pada kecepatan lebih kecil dari 0.75 p.u (1125 rpm). Ini karena Xm yang dibuthkan lebih dari 32.19 Ohm.
(6)
(7)
SIMULASI DAN ANALISIS
A. Pencarian nilai F dan Xm Untuk mempermudah perhitungan dilakukan inisialisasi awal beberapa variabel. Variabel yang diinisialisasi adalah kecepatan putar, beban dan nilai kapasitansi kapasitor. Variable tersebut adalah berikut : • Kecepatan putar = 1 p.u • Xcp=Xcs = 1.67 p.u Saat berbeban, dibuat variasi untuk melihat efek pembebanan. Penentuan besar kecepatan ini adalah 1500 rpm dan besar nilai kapasitor adalah 150 цF. Kemudian kedua nilai ini diubah dalam satuan per unit (p.u). Dari gambar 4 menunjukkan semakin kecil nilai Xm maka nilai F akan turun. Namun setelah melewati nilai F terendah terjadi kenaikkan frekuensi kembali. Ini akibat beban yang diberikan terlalu besar (3.81 Ohm) frekuensi akan naik.
Gambar 5 Gambar Hubungan Xm Dengan Tegangan Bangkit (Eg)
3
C. Perhitungan generator induksi pada kondisi berbeban
Gambar 9 Grafik Po Dengan F Ketika Dilakukan Variasi Kecepatan
Gambar 6 Hubungan Daya Keluaran (Po) Dan Beban (Rl)
Ketika dilakukan variasi kecepatan maka daya keluaran (Po) dan frekuensi (F) turun saat kecepatan turun. Saat kecepatan 1450 rpm daya keluaran terbesar 0.694 kW dan 1400 rpm 0.534 kW dengan frekuensi 47.9 Hz dan 46.1 Hz. Begitu juga dengan tegangan terminal terbesar saat beban 25.4 Ohm masing-masing 106.26 V dan 95.48 V. E. Pengujian terhadap variasi kapasitor (Xcp dan Xcs) Kapasitor yang divariasikan adalah kapasitor (Cs). kapasitor ini dibuat lebih kecil dan lebih besar. Gambar 10 menunujukkan grafik untuk xcs=2 p.u, xcs=2.5 p.u, dan xcs=1.1 p.u. Saat Xcs = 2 p.u, daya keluaran terbesar 1.146 kW sedangkan pada Xcs = 2.5 p.u didapatkan 2.233 kW dan Xcs=1.1 p.u didapat 0.481 kW. Sehingga semakin besar nilai Xcs maka daya yang akan dihasilkan juga semakin besar. Begitu juga dengan tegangan pada terminalnyaUntuk Xcs = 2 p.u maka tegangan bisa mencapai 126.76 V, saat Xcs = 2.5 p.u tegangan terminal adalah 146.88 V dan Xcs = 1.1 p.u tegangannya adalah 66.12 V
Gambar 7 Hubungan Tegangan Terminal Dengan Daya Keluaran
Pada gambar 6 ada nilai tertentu dimana titik tersebut merupakan titik kerja dari generator induksi. Dan ketika titik kerja itu telampaui maka daya ouput akan mengalami penurunan. Ketika diberi beban lebih besar maka, daya keluaran akan semakin menurun. Ketika generator ini diperasikan saat nilai Xcs = Xcp maka, daya keluaran maksimum generator induksi adalah 0.824 kW. Nilai ini kurang dari setengah dari kapasitas nominal dari mesin ini yaitu 2.2 kW. D. Pengujian terhadap variasi kecepatan putar (δ)
Gambar 10 Hubungan Daya Keluaran Dengan Tegangan Terminal F. Batasan operasi pada generator induksi Generator induksi dioperasikan pada kondisi tidak seimbang. Oleh karena itu terdapat batasan-batasan operasi oleh rating mesin. Pangujian ini juga berdasarkan variasi nilai dari kapasitor dan didapatkan gambar 11, 12, dan 13.
Gambar 8 Grafik Po Dengan V Ketika Dilakukan Variasi Kecepatan
4
G. Ringkasan Dalam generator induksi berpenguatan sendiri terdapat berbagai macam varibel yang saling mempengaruhi satu sama lain. Yang memliki artian bahwa ketika satu varibel diubah maka variabel yang lain juga akan berubah.
Gambar 11 Grafik Arus Yang Mengalir Di Stator Pada Xcs=1.1 p.u
Gambar 14 Varibel Yang Mempengaruhi Keluaran Dari Generator Induksi.
IV.
PENUTUP
A. Kesimpulan Dari hasil simulasi serta pembahasan dapat disimpulakan bahwa: 1) Operasi penggunaan generator induksi tiga fasa untuk suplai beban satu fasa dapat dilakukan dengan memasang kapasitor secara seri dan paralel. 2) Pada nilai kapasitansi yang sama pada kondisi berbeban, daya maksimal yang bisa dihasilkan adalah 0.824 kW . 3) Saat nilai kapasitor divariasikan (Xcs = 2.5 p.u dan Xcp = 1.67 p.u), daya maksimal adalah 1.387 kW.
Gambar 12 Grafik Arus Yang Mengalir di Stator Pada Xcs=2 p.u
B. Saran 1) Dibutuhkan optimasi nilai Xcs dan Xcp untuk meningkatkan performa daya keluaran (Po) dari generator induksi eksitasi sendiri. 2) Diperlukan pengujian laboraturium untuk memperoleh kinerja generator induksi yang sebenarnya. LAMPIRAN Pada rangkaian ekivalensi generator induksi untuk beban satu fasa terdapat , Zgp/F, Zgn/F, dan Ze/3F. Dan didapatkan dari persamaan berikut ini:[1]
Z gn F
Z gp
= A1 + A3
F
= A1 + A2
Dimana,
Gambar 13 Grafik Arus Yang Mengalir Di Stator Pada Xcs=2.5 p.u
Pada konfigurasi konfigurasi Xcs = 1.1 p.u , daya keluaran optimal pada 0.452 kW. Saat Xcs=2 p.u adalah 0.912 kW dan Xcs = 2.5 p.u , daya keluaran adalah 1.387 kW.
R A1 = 1 + jX 1 F
5
A2 = `
( jX m ).(
R2 ' + jX 2 ') F −δ
R2 ' + j ( X m + X 2 ') F −δ
A3 =
( jX m ).(
R2 ' + jX 2 ') F +δ
R2 ' + j ( X m + X 2 ') F +δ X R ( l )(− j cp2 ) Ze 3F = 3F X 3F RL + j (− cp2 ) 3F 3F Z gn X Z X − j cs2 )( e + j cs2 ) ( 3F F 3F Ze Zgn = F Ze X cs Z gn X +j 2+ − j cs2 3F 3F F F DAFTAR PUSTAKA
[1] [2]
S.N. Mahato a, S.P. Singh b, M.P. Sharma a,"Excitation capacitance required for self excited single phase induction generator using three phase machine"IEEE 9 September 2007 Fukami T, Kaburaki Y, Kawahara S, Miyamoto T."Performance analysis of a self-regulated self-excited singlephase induction generator using a three-phase machine". IEEE Trans Energy Conver 1999;14(3):622–7.
BIOGRAFI Maulana Ardiansyah adalah nama lengkap penulis yang dikenal dengan nama panggilan Ardi. Penulis lahir di kota santri Jombang pada tanggal 18 September 1989 yang merupakan anak kedua dari dua bersaudara pasangan H. Toemarno S.sos dan Hj. Lilik Halilah S.sos. Penulis memulai pendidikannya dari TK. ABA II Jombang kemudian melanjutkan studinya di SDN Kepanjen II Jombang, SLTP Negeri 2 Jombang, dan SMA Negeri 2 Jombang. Setelah lulus dari SMA pada tahun 2008, penulis melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nompeber Surabaya melalui jalur SPMB pada tahun yang sama. Konsentrasi penulis adalah pada bidang studi Teknik Sistem Tenaga dan selama kuliah, penulis aktif menjadi asistem praktikum Konversi Tenaga listrik dan menjadi koordinator praktikum Mesin arus bolak-balik. Pada bulan Januari 2012 penulis mengikuti seminar dan ujian Tugas Akhir sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro. e-mail :
[email protected]
6
