TUGAS AKHIR ANALISIS KARAKTERISTIK TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI DENGAN KELUARAN SATU FASA

TUGAS AKHIR

ANALISIS KARAKTERISTIK TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI DENGAN KELUARAN SATU FASA Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh :

JULIUS HUTAGAOL NIM : 050402089

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Universitas Sumatera Utara

ANALISIS KARAKTERISTIK TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI DENGAN KELUARAN SATU FASA

Oleh : JULIUS HUTAGAOL NIM : 05 0402 089

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro

Disetujui oleh : Dosen Pembimbing

Ir. SYAMSUL AMIEN M.Si. NIP : 19530622 198103 1 002

Diketahui oleh : PELAKSANA HARIAN KETUA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FT USU

Prof. Dr. Ir. USMAN S. BAAFAI NIP : 19461022 197302 1 001

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Penggunaan motor induksi tiga fasa sebagai generator induksi dengan keluaran satu fasa dapat dilakukan dengan menghubungkan kapasitor dengan konfigurasi C-2C pada terminal mesin yang terhubung Δ (segitiga), dimana pada satu fasa tempat beban terhubung terpasang sebesar C, pada fasa yang lain sebesar 2C, dan pada fasa ketiga tidak ada. Percobaan dilakukan dengan membuat variasi terhadap kapasitansi kapasitor, kecepatan putaran generator, dan besar beban. Dari percobaan diperoleh hasil, bahwa kapasitansi kapasitor dan kecepatan putaran generator sangat berpengaruh terhadap karakteristik tegangan keluaran disamping besar beban yang mengakibatkan jatuh tegangan dan kebocoran fluks pada belitan stator. Efisiensi yang semakin baik diperoleh pada frekuensi operasi yang semakin tinggi dengan tegangan keluaran dibawah nilai nominal.

i Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR Pertama-tama, penulis ingin memanjatkan puji dan syukur kepada Tuhan Yesus yang dengan kasih setia-Nya memberikan berkat dan rahmat-Nya sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Adapun tugas akhir yang berjudul “Analisis Karakteristik Tegangan dan Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa” penulis kerjakan untuk memenuhi salah satu syarat wajib dalam kurikulum pembelajaran di Departemen Teknik Elektro USU untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik. Sebagai makhluk sosial, tentunya penulis tak luput dari pertolongan banyak pihak, baik dalam bentuk materil maupun imateril, banyak ataupun sedikit yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Untuk itulah seyogyanya penulis menghaturkan ucapan terima kasih kepada : 1. Kedua orang tua (C.M. Hutagaol dan N. br Marpaung) yang telah banyak memberikan kasih sayang yang tak ternilai harganya sehingga penulis mampu, bersemangat, dan berkemauan keras untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Juga untuk adik-adikku tercinta (Theresha Melani, Theresia Meilana, dan Natalia) dan Frianti Oktavia yang memberikan semangat, perhatian, dan banyak bantuannya kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Dosen pembimbing, Bapak Ir. Syamsul Amien M.Si. yang telah memberikan

pandangan

dan

arahannya

kepada

penulis

untuk

menyelesaikan tugas akhir ini.

ii Universitas Sumatera Utara

3. Dosen wali, Bapak Ir. Kasmir Tanjung yang telah banyak memberikan pandangan dan nasehat

kepada penulis selama menjalani masa

perkuliahan. 4. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman S. Baafai selaku Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU dan Bapak Rachmat Fauzi S.T., M.T. selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU. 5. Bapak Ir. Satria Ginting selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Departemen Teknik Elektro FT USU. 6. Muhammad Iqbal selaku asisten Laboratorium Konversi Energi yang telah banyak membantu penulis dalam melakukan percobaan dan Bang Isroy Tanjung selaku Staff Administrasi Laboratorium Konversi Energi 7. Seluruh Bapak/Ibu Dosen dan Staf Pegawai di Departemen Teknik Elektro USU. 8. Teman-teman kuliah Lemuel, Herman Salim, Tommy, Mangiring, Beni, dan seluruh angkatan 03, 04, 05, 06, 07, dan 08 yang tidak dapat penulis sebutkan namanya satu-persatu, yang banyak maupun sedikit telah memberikan masukan dan perhatiannya kepada penulis. 9. Teman-teman seperjuangan alumni SMAN 05 Jambi di USU, Yeni, David, Wawan, Menuk, Meri, atas semangat yang telah diberikan. 10. Teman-teman kos JG 411, yang banyak menemani keseharian penulis, memberikan dorongan dan perhatian kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

iii Universitas Sumatera Utara

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih banyak memiliki kekurangan dan kesalahan, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan yang membangun dari semua pihak dalam tercapainya perbaikan tugas akhir ini. Namun demikian, sedikit banyaknya penulis mengharapkan tugas akhir ini dapat berguna dan memberikan inspirasi dalam pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, Juni 2010

Julius Hutagaol

iv Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

ABSTRAK …………………………………………………………………….. i KATA PENGANTAR ………………………………………………………… ii DAFTAR ISI …………………………………………………………………... v DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................. xiii

BAB I

PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang …………………………………………………… 1 1.2 Tujuan Penulisan ………………………………………………… 2 1.3 Manfaat Penulisan ………………………………………………. 3 1.4 Batasan Masalah ………………………………………………… 3 1.5 Metode Penulisan ………………………………………………… 4 1.6 Sistematika Penulisan ……………………………………………. 5

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA FASA 2.1 Umum …………………………………………………………… 8 2.2 Konstruski Motor Induksi Tiga Fasa …………………………… 8 2.2.1 Stator ……………………………………………………… 9 2.2.2 Rotor

……………………………………………………. 10

2.3 Prinsip Medan Putar

…………………………………………… 12

2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa …………………………. 16 2.5 Frekuensi Rotor …………………………………………………. 20

v Universitas Sumatera Utara

2.6 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa …………………. 20 2.6.1 Rangkaian Ekivalen Stator ………………………………… 20 2.6.2 Rangkaian Ekivalen Rotor ………………………………… 22 2.6.3 Rangkaian Ekivalen Lengkap ……………………………… 25 2.7 Aliran Daya dan Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa ……………. 29 2.7.1 Aliran Daya

……………………………………………… 29

2.7.2 Efisiensi …………………………………………………… 32 2.8 Torsi Motor Induksi Tiga Fasa …………………………………. 33 2.9 Desain Motor Induksi Tiga Fasa ………………………………… 37

BAB III MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI DENGAN DAYA KELUARAN SATU FASA 3.1 Umum …………………………………………………………… 40 3.2 Keunggulan dan Kelemahan Penggunaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator …………………………………………. 41 3.3 Syarat-syarat Pengoperasian Motor Induksi Sebagai Generator … 43 3.3.1 nr > ns ……………………………………………………… 43 3.3.2 Adanya Sumber Daya Reaktif ……………………………. 44 3.4 Kapasitor Pada Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator ……. 48 3.4.1 Umum ……………………………………………………… 48 3.4.2 Pemasangan Kapasitor………………………………………49 3.4.3 Perhitungan Besar Kapasitansi Kapasitor …………………. 50 3.5 Prinsip Kerja Generator Induksi ………………………………… 52 3.5.1 Prinsip Kerja Pembangkitan Tegangan …………………… 52

vi Universitas Sumatera Utara

3.5.2 Proses Pengendalian Tegangan …………………………… 56 3.6 Pengaruh Pembebanan Resistif Terhadap Arus Eksitasi ………. 58 3.7 Generator Induksi Tiga Fasa Dengan Keluaran Satu Fasa ……… 60 3.7.1 Metode Untuk Memperoleh Keluaran Satu Fasa dari Generator Induksi Tiga Fasa ……………………………… 61 3.7.2 Rangkaian Hubungan Kapasitor dan Diagram Fasor Generator Induksi Tiga Fasa Dengan Keluaran Satu Fasa … 61 3.8 Aliran Daya dan Efisiensi Generator Induksi Tiga Fasa ………… 65 3.8.1 Aliran Daya ……………………………………………….. 65 3.8.2 Efisiensi …………………………………………………… 66

BAB IV ANALISIS KARAKTERISTIK TEGANGAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA SEBAGAI GENERATOR INDUKSI DENGAN KELUARAN SATU FASA 4.1 Umum

……………………………………………………….. 67

4.2 Peralatan yang Digunakan ……………………………………… 68 4.3 Penentuan Nilai Kapasitor Eksitasi Minimum ………………….. 69 4.3.1 Percobaan Uji Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa ……… 69 4.3.1.1 Rangkaian Percobaan……………………………… 69 4.3.1.2 Prosedur Percobaan ……………………………….. 70 4.3.1.3 Data Hasil Percobaan……………………………… 70 4.3.2 Perhitungan Nilai Kapasitansi Kapasitor Eksitasi Minimum ………………………………………… 70

vii Universitas Sumatera Utara

4.4 Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa ……………………………. 72 4.4.1 Percobaan Beban Nol ……………………………………... 72 4.4.1.1 Rangkaian Percobaan ……………………………... 73 4.4.1.2 Prosedur Percobaan ………………………………. 73 4.4.1.3 Data Hasil Percobaan ……………………………... 75 4.4.2 Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa …………… 75 4.4.2.1 Rangkaian Percobaan ……………………………... 75 4.4.2.2 Prosedur Percobaan ………………………………. 76 4.4.2.3 Data Hasil Percobaan ……………………………... 76 4.5 Analisis Data Hasil Percobaan Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi Dengan Keluaran Satu Fasa ………………… 78 4.5.1 Percobaan Beban Nol …………………………………….. 78 4.5.2 Percobaan Berbeban ……………………………………… 79

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan ……………………………………………………... 90 V.2 Saran ……………………………………………………………. 91

DAFTAR PUSTAKA

……………………………………………………… 92

viii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa ………… 9 Gambar 2.2. (a) Lempengan Inti ………………………………………………. 10 (b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya .. 10 (c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator ……… 10 Gambar 2.3. (a) Tampilan Close-Up Bagian Slip Ring Rotor Belitan ………….. 11 (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ……………………….. 11 Gambar 2.4. Skematik Diagram Motor Induksi Rotor Belitan ………………… 11 Gambar 2.5. (a) Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya ………………….. 12 (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai ………………. 12 Gambar 2.6. Arus Tiga Fasa Setimbang ………………………………………. 13 Gambar 2.7. Diagram Fasor Fluksi Tiga Fasa Setimbang .................................... 13 Gambar 2.8. Medan Putar pada Motor Induksi Tiga Fasa .................................... 13 Gambar 2.9. Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor .............. 18 Gambar 2.10. Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet ........................ 19 Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Stator per-Fasa Motor Induksi ...................... 22 Gambar 2.12. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Rotor Motor Induksi Keadaan Diam ............................................................................... 22 Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen Rotor per-Fasa Keadaan Berputar pada Slip = s dimana (i) menyatakan persamaan (2.16), (ii) menyatakan persamaan 2.17, (iii) menyatakan persamaan 2.19 ……………… 25 Gambar 2.14. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi Model Transformator ..................................................................... 26

ix Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.15. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi dengan Bagian Rangkaian Rotor Dinyatakan Terhadap Sisi Stator (a) dengan Tahanan Varibel (b) dengan Tahanan Varibel

................................................... 27 Sebagai Bentuk

Analog Listrik dari Beban Mekanik ....................................... 27 Gambar 2.16. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi dengan Mengabaikan Rugi Inti .................................................................. 29 Gambar 2.17. Diagram Aliran Daya Aktif Motor Induksi Tiga Fasa .................. 30 Gambar 2.18. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi Tiga Fasa ................ 35 Gambar 2.19. (a) Tegangan Ekivalen Thevenin Sisi Rangkaian Input ................ 35 (b) Impedansi Ekivalen Sisi Rangkaian Input ............................... 35 (c) Hasil Rangkaian Ekivalen yang Disederhanakan dari Gambar 2.20. ............................................................................ 36 Gambar 2.20. Kurva Karakteristik Torsi-Slip Motor Innduksi ............................ 37 Gambar 2.21. Karakteristik Torsi Kecepatan Motor Induksi pada Berbagai Desain ................................................................... 38 Gambar 3.1. Kurva Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor Induksi pada Berbagai Daerah Operasi ......................................................... 44 Gambar 3.2. Generator Induksi Terhubung ke Sistem Jaringan Tiga Fasa ........... 45 Gambar 3.3. Generator Induksi Penguatan Sendiri (Self-Excited) ........................ 46 Gambar 3.4. Kurva Magnetisasi Motor Induksi pada Keadaan Tanpa Beban .................................................................................... 46 Gambar 3.5. Kurva Karakteristik Tegangan-Arus Kapasitor ............................... 47

x Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.6. Kurva Karakteristik Tegangan Terminal Generator Induksi pada Keadaan Tanpa Beban

…………………………… 47

Gambar 3.7. Hubungan Bintang (Y) dan Segitiga (∆) pada Kapasitor Eksitasi ............................................................................ 49 Gambar 3.8. Skema Umum Prinsip Kerja Generator Induksi Penguatan Sendiri ............................................................................ 53 Gambar 3.9. (a) Rangkaian Ekivalen per-Fasa Generator Induksi ....................... 54 (b) Rangkaian Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen 3.9(a) ............ 54 Gambar 3.10 Proses Pembangkitan Tegangan .................................................... 55 Gambar 3.11 Diagram Vektor Tegangan Generator Induksi pada Pembebanan Resistif …………………………………………… 59 Gambar 3.12. Tegangan Fungsi Arus Eksitasi dengan Fakktor Kerja Satu ......... 60 Gambar 3.13. Rangkaian Generator Induksi Tiga Fasa dengan Keluaran Satu Fasa ....................................................................................... 62 Gambar 3.14. Diagram Fasor Untuk Hubungan Satu Fasa ................................. 63 Gambar 3.15. Hubungan yang Salah pada Kapasitor Eksitasi ............................. 64 Gambar 3.16. Diagram Fasor dari Hubungan Kapasitor Eksitasi yang Salah ..................................................................................... 64 Gambar 3.17. Diagram Aliran Daya Aktif ........................................................... 65 Gambar 4.1. Rangkaian Percobaan Uji Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa … 69 Gambar 4.2. Rangkaian Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa …………………. 73 Gambar 4.3. Rangkaian Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa …………………. 76

xi Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.4. Grafik Pengaruh Perubahan Nilai Kapasitor Terhadap Tegangan Keluaran pada Frekuensi 47 Hz dan 50 Hz, Keadaan Beban Nol ……………………………………………. 78 Gambar 4.5.

Grafik

Hubungan

Pengaruh

Perubahan

Kapasitor

Eksitasi

Terhadap Tegangan Keluaran Generator Induksi ……………… 81 Gambar 4.6. Grafik Hubungan Pengaruh Pembebanan Terhadap Tegangan Keluaran Generator Induksi …………………………………… 82 Gambar 4.7. Grafik Hubungan Pengaruh Perubahan Kecepatan Prime Mover Terhadap Tegangan Keluaran Generator Induksi ……………… 83 Gambar 4.8. Grafik Hubungan Pengaruh Pembebanan Terhadap Efisiensi Generator Induksi ………………………………………………. 84 Gambar 4.9. Grafik Hubungan Tegangan Keluaran Terhadap Efisiensi Generator Induksi …………………………………………………………... 85 Gambar 4.10. Grafik Hubungan Pengaruh Perubahan Kecepatan Prime Mover Terhadap Efisiensi Generator Induksi …………………………. 86

xii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Data Percobaan Uji Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa ……………. 70 Tabel 4.2 Data Percobaan Beban Nol Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa …………………………………. 75 Tabel 4.3 Data Hasil Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa ……………………… 77 Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Fasa Sebagai Generator Induksi dengan Keluaran Satu Fasa ……………... 81

xiii Universitas Sumatera Utara