Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram...

6
Annual Engineering Seminar 2013 F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS Fakultas Teknik UGM B - 12 ISBN 978-602-98726-2-0 Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri F. Danang Wijaya 1 , Yusuf Susilo W 1 , Kevin Dito G. 2 dan M Isnaeni BS 1 1 Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 2 Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM Email ; [email protected] Abstract Indonesia is an archipelago country which is located in tropical area. It has many renewable energy resources such as water and wind. These resources are scaterred around the country. These renewable energy resources can be conversed into electrical energy using induction generator as an isolated system. Induction generator can be selected because its has simple and robust construction, maintenance free, low cost and available in the local market. Generally, the induction generator is operated as an isolated system using self excitation (SEIG-Self Excited Induction Generator) which is produced by capacitor. In order to increase the capacity, paralel operation of the induction generator is applied. The aims of this research are to determaine the characteristic of SEIG, to analize parallel operation of SEIG and to develope practical paralel operation procedure. The research was done by simulation using software and then verified with experiment. The results showed that SEIG required capacitor as self excitation. In the paralel operation, they did not need special synchronization. The generators must be in negatif slip condition. Load sharing between two generators is determined by the rotary speed of the prime mover. Finally, based on the experiment the practical paralel operation procedure has been developed. Keywords:induction generator, self excited , parallel operation, isolated system, renewable energy 1. Pendahuluan Indonesia memiliki sumber energi terbarukan khususnya air dan angin yang potensinya berfluktuasi sepanjang tahun, dan letaknya tersebar di seluruh kepulauan Indonesia. Sumber energi terbarukan tersebut dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik terisolasi atau tersambung ke jaringan listrik yang sudah ada dengan motor induksi sebagai generator (MISG) [1][2][3]. Motor induksi dipilih karena sederhana, mudah dirawat, mudah dioperasikan, mudah didapat, dan murah. Potensi potensi pembangkitan listrik tersebut, walaupun berkapasitas kecil, dapat dikembangkan menjadi potensi pengadaan listrik yang berkapasitas lebih besar, dengan cara memparalel MISG. Implementasi MISG dalam dunia ketenagalistrikan dapat menjadi pilihan sebagai sumber tenaga listrik yang terisolasi, yakni dengan menggunakan generator induksi bereksitasi sendiri (self-excited induction generator-SEIG). Penggunaan SEIG dengan kapasitor sebagai sumber eksitasi, terkadang memerlukan operasi paralel untuk memenuhi kebutuhan pembangkitan yang lebih besar. Penggunaan MISG dalam operasi paralel memiliki beberapa keuntungan : 1. tidak memerlukan sinkronisasi. 2. generator tidak harus bekerja pada kecepatan sinkron tertentu. [1] Namun, pemaparan yang lebih lanjut dan langkah praktis dalam pengimplementasian operasi paralel MISG masih sangat jarang ditemukan. Karakteristik operasi paralel perlu dipelajari lebih lanjut untuk mendapatkan langkah praktis dalam kondisi lapangan. Penelitian ini dilakukan untuk meneliti karakteristik operasi paralel, menganalisis dan membuat langkah implementasi yang aman melalui simulasi komputer dan pengujian praktek di laboratorium. 2. Prinsip kerja MISG Kecepatan medan putar di dalam motor induksi dinyatakan oleh persamaan 1. (1) dengan n s : kecepatan medan putar, rpm f : frekuensi sumber daya, Hz p : jumlah kutub motor induksi Kecepatan putar rotor tidak sama dengan kecepatan medan putar. Perbedaan tersebut dinyatakan dengan slip. (2) dengan s : Slip n s : kecepatan medan putar, rpm n r : kecepatan putar rotor, rpm Motor induksi tiga fase dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar atau mesin bekerja pada slip negatif [2]. Agar motor induksi dapat berfungsi sebagai generator maka diperlukan arus eksitasi. Pada MISG yang bekerja stand alone diperlukan kapasitor untuk membangkitkan arus eksitasi. Pada Gambar 1. diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2]

Transcript of Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram...

Page 1: Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] Annual

Annual Engineering Seminar 2013F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS

Fakultas Teknik UGM B - 12ISBN 978-602-98726-2-0

Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan SendiriF. Danang Wijaya1, Yusuf Susilo W1, Kevin Dito G.2 dan M Isnaeni BS1

1Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM2Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

Email ; [email protected]

AbstractIndonesia is an archipelago country which is located in tropical area. It has many renewable energy resources

such as water and wind. These resources are scaterred around the country. These renewable energy resources canbe conversed into electrical energy using induction generator as an isolated system. Induction generator can beselected because its has simple and robust construction, maintenance free, low cost and available in the localmarket. Generally, the induction generator is operated as an isolated system using self excitation (SEIG-SelfExcited Induction Generator) which is produced by capacitor. In order to increase the capacity, paralel operationof the induction generator is applied. The aims of this research are to determaine the characteristic of SEIG, toanalize parallel operation of SEIG and to develope practical paralel operation procedure. The research was doneby simulation using software and then verified with experiment. The results showed that SEIG required capacitoras self excitation. In the paralel operation, they did not need special synchronization. The generators must be innegatif slip condition. Load sharing between two generators is determined by the rotary speed of the primemover. Finally, based on the experiment the practical paralel operation procedure has been developed.Keywords:induction generator, self excited , parallel operation, isolated system, renewable energy

1. PendahuluanIndonesia memiliki sumber energi terbarukan

khususnya air dan angin yang potensinyaberfluktuasi sepanjang tahun, dan letaknya tersebardi seluruh kepulauan Indonesia. Sumber energiterbarukan tersebut dapat dimanfaatkan sebagaipembangkit listrik terisolasi atau tersambung kejaringan listrik yang sudah ada dengan motorinduksi sebagai generator (MISG) [1][2][3]. Motorinduksi dipilih karena sederhana, mudah dirawat,mudah dioperasikan, mudah didapat, dan murah.Potensi – potensi pembangkitan listrik tersebut,walaupun berkapasitas kecil, dapat dikembangkanmenjadi potensi pengadaan listrik yang berkapasitaslebih besar, dengan cara memparalel MISG.

Implementasi MISG dalam duniaketenagalistrikan dapat menjadi pilihan sebagaisumber tenaga listrik yang terisolasi, yakni denganmenggunakan generator induksi bereksitasi sendiri(self-excited induction generator-SEIG).Penggunaan SEIG dengan kapasitor sebagai sumbereksitasi, terkadang memerlukan operasi paraleluntuk memenuhi kebutuhan pembangkitan yanglebih besar. Penggunaan MISG dalam operasiparalel memiliki beberapa keuntungan :

1. tidak memerlukan sinkronisasi.2. generator tidak harus bekerja pada kecepatansinkron tertentu. [1]Namun, pemaparan yang lebih lanjut dan

langkah praktis dalam pengimplementasian operasiparalel MISG masih sangat jarang ditemukan.Karakteristik operasi paralel perlu dipelajari lebihlanjut untuk mendapatkan langkah praktis dalamkondisi lapangan.

Penelitian ini dilakukan untuk menelitikarakteristik operasi paralel, menganalisis dan

membuat langkah implementasi yang aman melaluisimulasi komputer dan pengujian praktek dilaboratorium.

2. Prinsip kerja MISGKecepatan medan putar di dalam motor induksi

dinyatakan oleh persamaan 1.

(1)

dengan ns : kecepatan medan putar, rpmf : frekuensi sumber daya, Hzp : jumlah kutub motor induksi

Kecepatan putar rotor tidak sama dengankecepatan medan putar. Perbedaan tersebutdinyatakan dengan slip.

(2)

dengan s : Slipns : kecepatan medan putar, rpmnr : kecepatan putar rotor, rpm

Motor induksi tiga fase dapat dioperasikansebagai generator dengan cara memutar rotor padakecepatan di atas kecepatan medan putar atau mesinbekerja pada slip negatif [2].

Agar motor induksi dapat berfungsi sebagaigenerator maka diperlukan arus eksitasi. Pada MISGyang bekerja stand alone diperlukan kapasitor untukmembangkitkan arus eksitasi. Pada Gambar 1.diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor padamotor induksi yang dioperasikan sebagai generator.[2]

Page 2: Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] Annual

Annual Engineering Seminar 2013F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS

Fakultas Teknik UGM B - 13ISBN 978-602-98726-2-0

Kapasitor

DischargeResistors

CircuitBreaker

Beban

Gambar 1. Skema pemasangan kapasitor padaMISG

Nilai kapasitor yang diperlukan oleh generatordinyatakan dengan rumus :

fUQ

phaseperC23 2

(3)

denganU= tegangan fase-fase (jika terhubung

delta)f = frekuensi jaringanQ= daya reaktif yang dikompensasiJika kapasitor terhubung bintang, kapasitans

yang dibutuhkan per fase adalah tiga kali daripersamaan 3 [2][5].

Pada pengujian tanpa beban, akan didapatkandata

- tegangan antar fase V0- arus fase I0

- daya masukan tiga fase .untuk, mencari nilai :

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Dengan asumi keadaan tanpa beban MISGmembutuhkan kapasitor untuk memenuhi kebutuhanreaktansi magnetisasi Xm, maka Xc yang akandigunakan sama dengan Xm. Sehingga, nilaikapasitor dapat dihitung dengan

(9)

(10)

3. Metodologi PenelitianPengujian menggunakan dua metode, simulasi

dan metode pengujian fisik. Gambar 2.menggambarkan proses pengujian menggunakansimulasi PSIM 9.0.3. sedangkan untuk pengujianfisik, menggunakan proses pada diagram alirGambar 3.

Gambar 2. Diagram alir pengujian simulasi.

Gambar 3 Diagram alir pengujian fisik.

Pengujian simulasi menggunakan dua motorinduksi tiga fase dengan kapasitas 5,5 kW 200 V.Sedangkan pada pengujian fisik menggunakan duamotor induksi tiga fase, dengan kapasitas 1,5 kW220 V sebagai generator. Penggerak mula generatormenggunakan dua motor DC dengan kapasitas 1kW dan 1,2 kW. Kedua motor induksi dan motorDC tersebut dirangkai paralel, kemudian diujiberbeban dan tanpa beban.

Page 3: Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] Annual

Annual Engineering Seminar 2013F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS

Fakultas Teknik UGM B - 14ISBN 978-602-98726-2-0

3.1. Unit bebanPengujian fisik menggunakan beban resistif

berupa lampu bohlam yang dipasang paralel, 3 faseseimbang terhubung wye. Satu fase memiliki empatlampu 10W, satu lampu 15W, dan satu lampu 25W.

3.2. Unit eksitasiUnit eksitasi yang digunakan merupakan

kapasitor bank dengan tap changer, untukmenambah kapasitas kapasitor. Setiap tap memilikikapasitas 17μF, 250VAR, dengan jumlah tap 4 tiapfase.

4. Hasil dan Pembahasan4.1. Pengujian Simulasi

Pengujian simulasi memberikan beberapakarakteristik operasi MISG. Dalam pengujiandilakukan pengujian operasi stand-alone danpengujian paralel.

Gambar 4 Pengaruh perubahan kapasitas kapasiordalam kondisi stand-alone tanpa beban

Pengujian tanpa beban melibatkan pengaruhkapasitor terhadap besar tegangan keluarangenerator. Pengujian tanpa beban, baik dalamkondisi stand-alone dan paralel memilikikarakterisitik sama, karena pada dasarnyamelibatkan MISG dan kapasitor sebagai sumbereksitasi. Gambar 4 menunjukan pengaruh kapasitormemberikan kenaikkan pada nilai tegangan.Semakin besar arus eksitasi yang diberikan padaMISG, semakin besar tegangan yang mampudihasilkan oleh MISG tersebut.

Beban yang terus ditambahkan dalam sistempembangkitan stand-alone mempengaruhi nilaifrekuensi dan slip pada MISG. Semakin besarbeban yang ditanggung, semakin turun frekuensiMISG, dan semakin minus nilai slip.

Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangansangat terpengaruh oleh perubahan beban.Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilai

kapasitor yang tetap, memberikan kondisipembangkitan yang tetap dengan beban yang terusmembesar. Dalam kondisi tersebut, nilai teganganturun.

Gambar 5 Pengaruh perubahan beban terhadap nilaifrekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi

stand-alone.

Gambar 5 memperlihatkan hasil simulasipengaruh nilai perubahan beban terhadap nilaifrekuensi dan slip.

Gambar 6 Pengaruh perubahan beban terhadapnilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi

operasi stand-alone.

Hasil pengujian stand-alone pada Gambar 6dalam simulasi menunjukkan bahwa nilai tegangansangat terpengaruh oleh perubahan beban.Kecepatan penggerak mula tidak diubah, serta nilaikapasitor yang tetap, memberikan kondisipembangkitan yang tetap dengan beban yang terusmembesar. Dalam kondisi tersebut, nilai teganganturun.

Pengujian simulasi operasi paralel memberikanhasil dengan karakteristik yang sama denganpengujian simulasi operasi stand-alone, sepertiyang terlihat dalam Gambar 7 dan Gambar 8. Padapengujian penambahan beban aktif yang dilakukanpada operasi stand-alone, nilai tegangan antar fasemengalami penurunan, hal yang sama terjadi ketikaterdapat dua generator induksi yang dioperasikan

Page 4: Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] Annual

Annual Engineering Seminar 2013F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS

Fakultas Teknik UGM B - 15ISBN 978-602-98726-2-0

paralel, dalam keadaan operasi yang identik padakedua MISG tersebut.

Gambar 7 Pengaruh perubahan beban terhadap nilaifrekuensi dan slip dalam pengujian simulasi operasi

paralel.

Gambar 8 Pengaruh perubahan beban terhadap nilaitegangan dan arus dalam pengujian simulasi operasi

paralel.

Pengujian simulasi selanjutnya melihatkarakterisitk perbedaan kecepatan putar penggerakmula antara MISG 1 dengan MISG 2. Pengujian inidilakukan untuk simulasi dengan kondisi tidak idealyang seringkali akan ditemukan pada keadaannyata. Pada pengujian, kecepatan penggerak mulaMISG 2 dirancang untuk konstan, sedangkan padaMISG 1 dirancang untuk terus naik sedikit demisedikit. Nilai magnitude tegangan yang dihasilkanmenjadi fungsi kecepatan putar MISG yang terusberubah. Terdapat karakteristik pengaturantegangan dan frekuensi pada sistem operasi paralelMISG.

Hasil pengujian menunjukkan jika nilaifrekuensi dan tegangan ikut meningkat, seiringmeningkatnya nilai kecepatan penggerak mula 1.Hal tersebut dapat menjadi acuan dalammeningkatkan nilai keceptan penggerak mula untukmemperbaiki profil tegangan ketika terdapat bebanyang terus meningkat.

Perbedaan kecepatan mempengaruhi nilai aruskeluaran sistem paralel MISG dengan melihat bedafase dalam tabel. Semakin jauh dari nilai kecepatan

putar yang sama antara penggerak mula 1 denganpenggerak mula 2, nilai beda fase dalam arus jugasemakin besar.

Gambar 9. Pengaruh perubahan beban terhadapnilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi

operasi paralel.

Gambar 10. Pengaruh perubahan beban terhadapnilai tegangan dan arus dalam pengujian simulasi

operasi paralel.

4.2. Pengujian FisikPengujian fisik memiliki tahapan operasi paralel

sebagai berikut :1. Operasikan putaran penggerak mula Motor DC 1

mendekati 1544 rpm.2. Operasikan nilai kapasitor 500 VAR per fase.3. Naikkan sumber tegangan DC, agar putaran

penggerak mula Motor DC 1 meningkat, untukmendapatkan nilai slip yang lebih negatif.

4. Pada kecepatan rotor mencapai 1544 rpm, mesininduksi 1 mengalami slip negatif dan kemudianberoperasi sebagai generator.

5. Sesuaikan kecepatan putar penggerak mula danbesar kapasitor, untuk memperoleh tegangan220 V 50 Hz.

6. Operasikan penggerak mula Motor DC 2, putardengan kecepatan sekitar 1522 rpm.

7. Tambahkan nilai kapasitor menjadi 750 VAR perfase. Abaikan perubahan tegangan keluaranMISG 1.

8. Posisikan kontaktor 3 fase dalam keadaantertutup, sehingga MISG 1, MISG 2 dankapasitor terhubung paralel.

Page 5: Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] Annual

Annual Engineering Seminar 2013F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS

Fakultas Teknik UGM B - 16ISBN 978-602-98726-2-0

9. Tambahkan kecepatan putar penggerak mulaMotor DC 2 hingga slip motor induksi menjadinegatif.

10. Setelah slip mesin induksi 2 negatif, mesininduksi 2 menjadi MISG 2, kemudian lakukanpengaturan kecepatan penggerak mula MotorDC 1 dan penggerak mula Motor DC 2, sertaatur nilai kapasitor bank pada nilai maksimalkapasitor, 1kVAR per fase untuk mendapatkantegangan nominal fase-netral 220 V 50 Hz.

11. Setelah kedua motor induksi mampu menjadigenerator, inputkan beban sedikit demi sedikit.

Setelah pengujian fisik, kemudian dilakukanpengujian pada keadaan berbeban. Dari hasilpengujian fisik tersebut, semakin besar beban yangditanggung oleh operasi paralel MISG, maka nilaikecepatan penggerak mula mengalami penurunan.Hasil yang sama terdapat pada besaran frekuensidan tegangan keluaran. Hasil pengamatan terhadaptegangan, frekuensi, dan kecepatan putar penggerakmula memiliki karakteristik yang sama dengan hasilpengujian simulasi. Sehingga melalui kedua datatersebut, dapat dinyatakan bahwa nilai tegangan,frekuensi, dan kecepatan putar rotor dapatdipengaruhi oleh perubahan beban. Pengujianmenunjukkan bahwa nilai slip kedua MISG masihnegatif dengan variasi kecepatan penggerak mulatersebut, menunjukkan bahwa kedua generatormasih dapat terus menyuplai beban.

Pengujian berbeban memberikan gambar grafiksebagai berikut :

Gambar 11. Pengaruh perubahan beban terhadapnilai kecepatan putar penggerak mula dalam

pengujian fisik operasi paralel.

Gambar 12. Pengaruh perubahan beban terhadapnilai slip dalam pengujian fisik operasi paralel.

Gambar 13. Pengaruh perubahan beban terhadapnilai tegangan dan frekuensi dalam pengujian fisik

operasi paralel.

Berdasarkan hasil pengujian berbeban tersebut,terdapat kesesuaian antara pengujian simulasidengan pengujian fisik, sehingga dapat diketahuiuntuk beban yang terus bertambah nilai frekuensiturun, nilai tegangan turun, kecepatan putar turun.

5. KesimpulanBerdasarkan hasil simulasi dan pengujian

laboratorium, menghasilkan beberapa kesimpulansebagai berikut.1. Sebuah mesin induksi tiga fase beroperasi

sebagai generator apabila :a. kecepatan putar rotor melebih kecepatan

putar sinkronb. mengkonsumsi daya reaktif yang dicatu

oleh kapasitor2. Dua buah generator induksi dapat diparalel

apabila arah putaran penggerak mula dan arahmedan putar generator pertama dan keduasama

3. Operasi paralel MISG tidak memerlukansinkronisasi tegangan, urutan fase, danfrekuensi, seperti pada pengoperasian paralelgenerator sinkron.

4. Pembagian beban pada operasi paralelgenerator induksi dilakukan denganmembedakan besar kecepatan putar penggerakmula antara kedua generator.

Page 6: Analisis Operasi Paralel Generator Induksi Penguatan Sendiri ... Operasi...diperlihatkan diagram pengawatan kapasitor pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator. [2] Annual

Annual Engineering Seminar 2013F. Danang Wijaya, Yusuf Susilo W, Kevin Dito G. dan M Isnaeni BS

Fakultas Teknik UGM B - 17ISBN 978-602-98726-2-0

5. Pengujian simulasi pada beban resistifdiperoleh:a. nilai kapasitas kapasitor yang bertambah

mempengaruhi peningkatan tegangan danarus keluaran generator.

b. nilai kecepatan yang terus bertambahmempengaruhi peningkatan nilai tegangankeluaran dan frekuensi sistem MISG.

6. Langkah – langkah praktis operasi paralelgenerator induksi telah disusun.

Daftar Pustaka[1] Al-Bahrani, Abdallah H. dan Nazar H. Malik.

(1994). Parallel Operation of Self-excitedInduction Generators. Electrical EngineeringDepartment, College of Engineering. KingSaud University, Riyadh, Saudi Arabia.

[2] Chapallaz, J. M., Ghali, J. D., Eichenberger, P.,& Fischer, G. (1992). Manual on Induction

Motors Used as Generators. Braunschweig:Deutsches Zentrum fur Entwicklungstechnologien.

[3] Isnaeni B.S, M. (2005). Makalah, MotorInduksi Sebagai Generator (MISG), JurusanTeknik Elektro Fakultas Teknik UniversitasGadjah Mada.

[4] Jenkins, Nick dan Ron Allan, Peter Crossley,David Kirschen, Goran Strbac. (2000).Embedded Generation. London: TheInstitution of Electrical Engineers.

[5] Ridho, Rizky, 2012, Rancang BangunSimulator PLTMH Menggunakan MotorInduksi Sebagai Generator (MSIG) yangTerhubung ke Jaringan, Tugas Akhir TeknikElektro dan Teknologi Informasi, UGMYogyakarta.