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
