TUGAS AKHIR
PANAS PADA GENERATOR INDUKSI SAAT PEMBEBANAN ( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )
O l e h
AHMAD TAUFIQ 060402006
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR Dengan Nama ALLAH Yang Maha Pengasih Lagi Maha Penyayang
Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan kehadirat ALLAH S.W.T dimana atas berkah, karunia dan rahmat-NYA lah penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, dengan
judul
“PANAS
PADA
GENERATOR
INDUKSI
SAAT
PEMBEBANAN” (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU) Tugas Akhir ini merupakan suatu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, antara lain kepada : 1. Ayahanda Armensyah Lubis dan Ibunda tercinta Rosmiah Nasution, ananda hanturkan terima kasih atas do’a yang tak pernah putus, kasih sayang yang tulus tanpa pernah pupus dalam mengasuh, mendidik dan membimbing penulis. 2. Saudara-saudariku kakanda Kurniadi Lubis, adinda Mutia Rahmi Lubis dan Melisa Lanniari Lubis yang menjadikan penulis terinspirasi dan termotivasi. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rachmad Fauzi ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU
Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Ir.A. Rachman Hasibuan, selaku dosen pembimbing penulis yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 5. Ibu Ir. Windalina Syafiar, selaku dosen wali penulis yang telah membimbing penulis selama menjalani masa perkuliahan. 6. Bapak Ir. Satria Ginting, selaku kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini. 7. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen dan Bapak Ir. Eddy Warman selaku staf pengajar di Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini. 8. Kakanda Isroi Tanjung, ST, selaku pegawai pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 9. Rekan-rekan sesama Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik, Ahmad Faisal (polo), Martua Sitompul, Muhammad Iqbal, Ferry, dan Ardiansyah yang telah membantu dalam pengambilan data-data percobaan dalam penulisan tugas akhir ini. 10. Rekan-rekan seperjuangan menuju kesuksesan, Rudi (peak), Nasir, Randi, Bang Ferry, Helmi, Ibeng, Agung, Fahmi (jembai), Hendra, Bale, Roji, Qbar, Salman, Ijong, Alfi, Jemi, Teguh, Fauzi (akaw), Azari, Supenson (pengon), Rahmuddin (wae), Denni (omon), Ina (koneng), Liza, Sukesih (sasuke), Muti, Sanita, Pingkan dan rekan – rekan lainnya yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu,
Universitas Sumatera Utara
11. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.
Kepada orang – orang yang telah membantu penulis selama menjalani masa perkuliahan penulis do’akan jazakumullahu khairan katsira (semoga ALLAH membalas kalian dengan kebaikan yang banyak). Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini belum sempurna karena masih banyak terdapat kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya. Saran dan kritik dari pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Akhir kata, penulis berharap semoga penulisan tugas akhir ini dapat berguna memberikan ilmu pengetahuan bagi kita semua.
Medan, Agustus 2010 Penulis,
AHMAD TAUFIQ NIM : 06 0402 006
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) telah banyak diterapkan secara luas pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh). Meskipun memiliki kekurangan dalam hal efisiensi dan regulais tegangan, generator induksi banyak digunakan karena mudah diperoleh, murah, konstruksi sederhana dan perawatannya mudah. Secara umum konstruksi generator induksi adalah sama dengan konstruksi motor induksi, hanya saja dalam pengoperasiannya generator induksi memerlukan penggerak mula (prime mover) untuk menggerakkan rotor motor induksi tersebut. Rotor tersebut dikopelkan ke prime mover lalu diputar sedemikian sehingga menghasilkan slip negatif (s < 1). Artinya kecepatan putaran rotor harus di atas kecepatan medan putar stator (n r > n s ). Perputaran medan magnet ini timbul karena adanya arus magnetisasi yang diberikan jala-jala kepada kumparan stator Akibat pertambahan beban yang dilayani oleh generator induksi maka akan bertambah pula arus di bagian stator dari generator tersebut. Arus tersebut akan memperbesar rugi-rugi (panas) yang terjadi pada stator yang akan mengakibatkan kenaikan temperatur dari
generator tersebut. Panas
yang berlebihan akan
menyebabkan penurunan kondisi atau kerusakan pada isolasi dalam belitan mesin, sehingga mengurangi umur pakai. Dalam Tugas Akhir ini akan dibahas kenaikan temperatur (panas) pada generator induksi saat pembebanan linier. Untuk mendapatkan panas yang timbul, maka dilakukan pengujian terhadap generator induksi. Pengujian ini dilakukan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR….. ...................................................................................... i ABSTRAK……………… .................................................................................... iv DAFTAR ISI……………. ..................................................................................... v DAFTAR GAMBAR…… .................................................................................... ix DAFTAR TABEL………. ................................................................................... xi
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN I.1
Latar Belakang ........................................................................... 1
I.2
Tujuan dan Manfaat Penulisan ................................................... 2
I.3
Batasan Masalah ......................................................................... 3
I.4
Metode Penulisan ....................................................................... 4
I.5
Sistematika Penulisan ................................................................. 4
MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR II.1
Umum ....................................................................................... 6 II.1.1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa ............................ 7 II.1.2 Slip................................................................................ 10 II.1.3 Medan Putar.................................................................. 11 II.1.4 Prinsip Kerja Motor Induksi ......................................... 12 II.1.5 Frekuensi Rotor ............................................................ 13
Universitas Sumatera Utara
II.1.6 Efisiensi ........................................................................ 14 II.2
Disain Motor Induksi Tiga Phasa ........................................... 15
II.3
Penentuan Parameter Motor Induksi ....................................... 16 II.3.1 Pengujian Tanpa Beban ................................................ 17 II.3.2 Pengujian Tahanan Stator ............................................. 18 II.3.3 Pengujian Rotor Tertahan ............................................. 20
II.4
Syarat-syarat Motor Induksi Sebagai Generator ..................... 22
II.5
Prinsip Kerja Generator Induksi ............................................. 23
II.6
Proses Pembangkitan Tegangan ............................................. 27
II.7
Alliran Daya Nyata Generator Induksi Penguatan Sendiri ..... 31
II.8
Pengaruh Pembebanan Terhadap Arus Eksitasi ..................... 32
II.9
Pembebanan Dengan Faktor Kerja Satu ................................. 33
II.10 Keuntungan dan Kelemahan Motor Induksi Sebagai Generator ................................................................... 34
BAB III
PANAS PADA MESIN INDUKSI III.1
Umum .................................................................................... 36
III.2
Panas Pada Konduktor Yang Dialiri Arus ............................. 36
III.3
Kapasitas Panas dan Panas Spesifik ...................................... 39
III.4
Panas Pada Motor Induksi Rotor Sangkar ............................. 40 III.4.1 Jenis Pendinginan ........................................................ 40 III.4.2 Transfer Panas Pada Mesin Induksi ............................ 41 III.4.3 Temperatur Lingkungan Pengoperasian
Universitas Sumatera Utara
Mesin Induksi .............................................................. 44 III.4.4 Isolasi Pada Mesin Induksi.......................................... 44 III.4.5 Pengaruh Panas Terhadap Isolasi Mesin Induksi ........ 47 III.4.6 Kenaikan Panas Pada Motor Induksi Rotor Sangkar .. 49
BAB IV
PENGUJIAN DAN HASIL PENGUKURAN IV.1
Umum .................................................................................... 52
IV.2
Peralatan Yang Digunakan .................................................... 52
IV.3
Penentuan besar Nilai Kapasitor ........................................... 54
IV.4
Pengujian Panas Pada Generator Induksi Saat Pembebanan. 56 IV.4.1 Pengujian Pengukuran Tahanan Stator ....................... 56 IV.4.1.1 Rangkaian Pengujian .................................. 57 IV.4.1.2 Prosedur Pengujian ..................................... 57 IV.4.1.3 Data Hasil Pengujian .................................. 58 IV.4.1.4 Analisa Data Pengujian .............................. 58 IV.4.2 Pengujian Panas Pada Motor Induksi Sebagai Generator .................................................................. 59 IV.4.2.1 Pengujian Beban Nol .................................. 59 IV.4.2.1.1 Rangkaian Pengujian .............. 59 IV.4.2.1.2 Prosedur Pengujian ................. 60 IV.4.2.1.3 Data Hasil Pengujian............... 61 IV.4.2.2 Pengujian Berbeban ................................... 62 IV.4.2.2.1 Rangkaian Pengujian .............. 62
Universitas Sumatera Utara
IV.4.2.2.2 Prosedur Pengujian ................. 62 IV.4.2.2.3 Data Hasil Pengujian............... 64 IV.4.3 Analisa Data Panas Pada Generator Induksi Saat Pembebanan ............................................................... 66 IV.4.4 Tabel Analisa Data Percobaan .................................... 70 IV.4.5 Kurva Panas Pada Generator Induksi Saat Pembebanan ....................................................... 71 IV.4.5.1 Pengaruh Penambahan Beban Terhadap Temperatur Generator Induksi Penguatan Sendiri ....................................................... 71 IV.4.5.2 Pengaruh Penambahan Beban Terhadap Energi Panas Di Stator Generator Induksi Penguatan Sendiri……………… 72
BAB V
PENUTUP V.1
Kesimpulan ............................................................................. 73
V.2
Saran ....................................................................................... 74
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 75 LAMPIRAN ......................................................................................................... 77
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Penampang rotor dan stator motor induksi ................................. 7
Gambar 2.2 (a) Lempengan inti, .......................................................................... 8 Gambar 2.2 (b) Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya ..... 8 Gambar 2.2 (c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator. .............. 8 Gambar 2.3 (a) Rotor motor induksi .................................................................... 9 Gambar 2.3 (b) Konstruksi motor induksi rotor sangkar ..................................... 9 Gambar 2.4 (a) Rotor belitan ............................................................................... 9 Gambar 2.4 (b) Motor induksi rotor belitan ......................................................... 9 Gambar 2.5 (a) Diagram phasor fluksi tiga phasa ............................................. 11 Gambar 2.5 (b) Arus tiga phasa seimbang ......................................................... 11 Gambar 2.6
Medan putar pada motor induksi tiga phasa ............................. 12
Gambar 2.7
Karakteristik torsi-kecepatan motor induksi pada berbagai disain ................................................................. 15
Gambar 2.8
Rangkaian ekivalen pada saat beban nol .................................. 17
Gambar 2.9
Rangkaian pengujian tahanan stator arus searah motor induksi ............................................................................ 19
Gambar 2.10
Rangkaian rotor ditahan motor induksi .................................... 20
Gambar 2.11
Proses penguatan ...................................................................... 25
Gambar 2.12
Generator induksi penguatan sendiri dengan sebuah kapasitor bank sebaga penyedia daya reaktif ........................... 25
Gambar 2.13
Karakteristik torsi – kecepatan mesin induksi .......................... 26
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14
Rangkaian ekivalen per phasa generator induksi .................... 27
Gambar 2.15
Proses pembangkitan tegangan pada generator induksi penguatan sendiri ...................................................................... 29
Gambar 2.16
Rangkaian resonansi beban nol generator induksi ................... 30
Gambar 2.17
Blok diagram aliran daya dan rugi-rugi pada generator induksi31
Gambar 2.18
Diagram vektor generator induksi ............................................ 33
Gambar 3.1
Arus yang mengalir pada sebuah tahanan ................................ 37
Gambar 3.2
Transfer panas pada motor induksi ........................................... 41
Gambar 3.3
Konduksi pada sebuah slot konduktor pada motor induksi ...... 42
Gambar 3.4
Belitan pada sebuah slot yang berisolasi .................................. 45
Gambar 3.5
Kurva umur isoalasi motor induksi untuk masing-masing kelas apabila dioperasiikan diatas batas temperatur kelas isolasi ...... 49
Gambar 4.1
Rangkaian percobaan dengan suplai DC .................................. 57
Gambar 4.2
Rangkaian pengujian beban nol generator induksi penguatan sendiri ...................................................................... 60
Gambar 4.3
Rangkaian pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri ...................................................................... 62
Gambar 4.4
Pengaruh pembebanan terhadap temperatur generator induksi penguatan sendiri ...................................................................... 71
Gambar 4.5
Pengaruh pembebanan terhadap energi panas di stator generator induksi ................................................................................... 72
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Standar besarnya reaktansi berbagai jenis desain rotor.................... 22
Tabel 3.1
Kelas Isolasi motor induksi berdasarkan standar IEC 60034-18-1 .. 47
Tabel 4.1
Data hasil pengujian tahanan stator DC ........................................... 58
Tabel 4.2
Data hasil pengujian beban nol generator induksi penguatan sendiri ............................................................................. 62
Tabel 4.3
Data hasil pengujian berbeban generator induksi penguatan sendiri ............................................................................. 64
Tabel 4.4
Data hasil pengujian tanpa beban generator induksi penguatan sendiri ............................................................................. 67
Tabel 4.5
Tabel analisa data panas pada generator induksi penguatan sendiri saat pembebanan .................................................................. 71
Universitas Sumatera Utara
