GENERATOR ASINKRON / INDUKSI

Generator induksi adalah mesin induksi yang bekerja sebagai generator,oleh karena itu mesin induksi mempunyai persamaan dan konstruksi yang sama untuk generator maupun untuk motor. Generator ini mendapat eksitasi dari luar,syarat utama tegangan dapat timbul untuk generator induksi adalah jika Nr>Ns dengan Nr = kecepatan rotor dan Ns = kecepatan sinkron. Misal radiator diputus oleh penggerak luar,diatas Ns maka slip akan bernilai negative lalu mesin akan mensuplay daya dan menghasilkan tegangan, Selain itu membangkitkan tenaga juga memerluka daya remanasi magnet pada rotor .

Generator induksi merupakan salah satujenis 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 denganpengontrolan yang relatif sederhana.

Generator induksi adalah generator yang menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dalam pengoperasiannya. Generator ini dapat bekerja pada putaran rendah serta tidak tetap kecepatannya, sehingga generator induksi banyak digunakan pada pembangkit listrik dengan daya yang rendah seperti pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro atau pembangkit listrik tenaga baru.

Generator induksi merupakan jenis pembangkit listrik alternatif yang cocok untuk skala kecil atau beban rumah tangga (450 Va). Hal ini disebabkan karena harga generator induksi relatif lebih murah dibanding dengan generator sinkron. Kelemahan generator induksi adalah kinerjanya sangat dipengaruhi oleh beban. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan storage terhadap kinerja generator induksi. Parameter motor induksi yang digunakan sebagai generator induksi adalah jenis rotor sangkar, 3 fase, dan 2 HP.

Pengujian ini digunakan 4 buah kapasitor (@ 12 mF) dipasang pada setiap fase, inverter, converter, dan accu 120 Ah sebagai storage. Pengujian kinerja generator induksi dilakukan dengan pemasangan kapasitor tiap fase secara bertahap dan memonitoring keluaran generator induksi (tegangan, frekuensi, dan rpm) pada saat dibebani dan tanpa beban, pengujian ini dilakukan pada saat tanpa menggunakan storage dan menggunakan storage. Hasil penelitian secara keseluruhan menunjukkan penurunan kinerja generator induksi (pengujian tanpa storage).

Pada saat kapasitas kapasitor terpasang 12 ìF, tegangan keluaran mengalami penurunan sebesar 63% (tanpa beban 6,3 volt, berbeban 60 watt = 2,2 volt). Kapasitas 24 ìF, 36 ìF, dan 48 ìF tegangan mengalami penurunan sebesar 2,7%, 1,6%, dan 1,5%. Untuk rpm dan frekuensi secara keseluruhan (12 ìF, 24 ìF, 36 ìF, dan 48 ìF) hanya mengalami penurunan sebesar 0,1% dan 0,2%. Sedangkan pengujian dengan menggunakan storage hasilnya menunjukkan bahwa dengan adanya storage tegangan output, rpm dan frekuensi tidak mengalami penurunan (pada saat berbeban dan tanpa beban), karena arus yang diserap oleh beban terpasang diambil dari storage atau accu sehingga beban tidak mempengaruhi keluaran generator induksi.

Keuntungan dari penggunaan generator induksi dibandingkan dengan generator biasa diantaranya adalah ukuran dan harga yang lebih murah, tidak memerlukan sumber AC, adanya proteksi terhadap bahaya kelebihan beban dan hubung singkat, dan lain-lain. Oleh karena itu, generator induksi banyak digunakan pada system tenaga listrik yang terisolir. Pada system tenaga listrik yang terisolir, generator induksi menggunakan penguat yang dihasilkan sendiri sehingga sering disebut generator induksi berpenguat sendiri.

Generator induksi merupakan mesin induksi yang bekerja sebagai generator. Ketika kecepatan putar rotor mesin induksi lebih besar dari kecepatan sinkron dari medan putar pada celah udara, mesin induksi yang sama dapat bekerja sebagai generator induksi.

Generator induksi masih dapat bekerja dan menghasilkan tegangan walaupun kecepatan putarnya dan sumber daya masukannya tidak tetap. Oleh karena itu, generator induksi saat ini mulai banya digunakan sebagai pembangkit energy terutama untuk sumber daya tak terbarukan terutama untuk daerah yang terisolasi dari jaringan listrik.

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 nsyncoleh 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 pushovergenerator. 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.

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  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.

Prinsip Kerja Generator Induksi

Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat mesin induksi bekerja sebagai motor. ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul medan putar dengan kecepatan sinkron (ns). Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor motor diputar oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didalam medan magnet (kumparan stator) akan membangkitkan tegangan sebesar

Dimana :

e = tegangan induksi yang dihasilkan (volt)

B = fluks magnetik (weber)

l = panjang konduktor yang dilewati medan magnet (m)

v = kecepatan medan magnet melewati konduktor (m/s)

dan bila dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus. Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan medan magnet pada kumparan stator sehingga timbul arus pada kumparan stator sebagai reaksi atas gaya mekanik yang diberikan. Pada proses perubahan motor induksi menjadi generator induksi dibutuhkan daya reaktif atau daya magnetisasi untuk membangkitkan tegangan pada terminal keluarannya. Dalam hal ini yang berfungsi sebagai penyedia daya reaktif adalah kapasitor yang besarnya disesuaikan dengan daya reaktif yang diperlukan.

Kebutuhan daya reaktif dapat dipenuhi dengan memasang suatu unit kapasitor pada terminal keluaran, dimana kapasitor menarik daya reaktif kapasitif atau dengan kata lain kapasitor memberikan daya reaktif induktif pada mesin induksi. Kerja dari kapasitor ini dapat dipandang sebagai suatu sistem penguat (eksitasi) sehingga generator induksi juga dikenal dengan sebutan generator induksi penguatan sendiri (self excited of induction generator). Hal terpenting yang harus diperhatikan dalam kinerja generator induksi adalah fluksi sisa atau medan magnet pada kumparan stator, dimana tanpa adanya fluksi sisa ini proses pembangkitan tegangan tidak akan tejadi.

Dengan adanya fluksi sisa ini dan perputaran rotor akan menimbulkan tegangan induksi pada rotor. Tegangan induksi ini akan terinduksi pula pada sisi stator dan akan menimbulkan arus yang akan mengisi kapasitor hingga terjadi keseimbangan. Keseimbangan tersebut ditandai dengan titik pertemuan antara lengkung magnetisasi dengan garis reaktansi kapasitif seperti terlihat pada gambar di bawah ini . Lengkung magnetisasi tersebut terjadi akibat adanya kejenuhan inti besi dari generator.

Pada generator induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi.

Sehingga prinsip kerjanya dapat di simpulkan bahwa :

1. Bila sumber tegangan yang dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar dengan kecepetan Ns =120f / p

2. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduksi pada rotor

3. Akibatnya pada rotor akan timbul ggl induksi

4. Karena rotor merupakan rangkaian yang tertutup maka ggl induksi akanmengalirkan arus ( I)

5. Adanya arus (I) dalam medan magnet akan menimbulkan gaya pada rotor

6. Pada kopel muka yang dihasilkan oleh gaya pada rotor cukup besar memikulkopel beban , rotor akan berputar searah dengan putar rotor

7. Seperti yang telah dijelaskan, ggl induksi akan timbul karena terpotongnya rotor atau medan putar stator, artinya ggl induksi timbul diperlukan adanya perbedaan antara kecepatan medan putar stator (Ns) dan kecepata berputarnya rotor (Nr)

8. Perbedaan kecepatan antara Nr dan Ns disebut slip

9. Besarnya Nr (kecepatan rotor) lebih besar daripada Ns (kecepatan stator)

10. Rumus slip dinyatakan dalam

Jenis - Jenis Generator Induksi

Dalam aplikasinya generator induksi dibagi menjadi dua jenis yaitu generator induksi masukan ganda ( Doubly Fed Induction Generator atau DFIG ) dan generator induksi berpenguat sendiri ( Self Excited Induction generator atau SEIG ).Pembagian jenis generator ini berdasarkan pada sumber eksitasi generator berasal. Eksitasi pada generator induksi dibutuhkan untuk menghasilkan medan magnit padarotor generator untuk selanjutnya menghasilkan induksielektromagnetik padasetator yang akan menghasilkan energy listrik. Selain itu juga eksitasi dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif yang dibutuhkan oleh generator dalam membangkitkan listrik.

1. Generator induksi masukan ganda

Pada generator induksi masukan ganda, eksitasi diperoleh dari jaringan listrik yang telah terpasang. Generator induksi jenis ini menyerap daya reaktif dari jaringan listrik untuk membangkitkan medan magnit yang dibutuhkan. Pada generator jenis ini, terminal keluaran generator dihubungkan dengan inverter yang kemudian dihubungkan dengan bagian generator. Generator induksi masukan ganda saat ini banyak digunakan sebagaigenerator pada pembangkit listrik tenaga baru.

Generator diatas merupakan gambar skema dari model generator induksi masukan ganda. Terdapat dua buah inverter yang menghubungkan antara keluaran generator dengan rotor. Kedua inverter tersebut dihubungkan dengan penghubung AS. Inverter yang terhubung dengan jaringan bekerja pada frekuensi yang sama dengan frekuensi jaringan. Inverter ini juga mengatur besar factor daya yang masuk agar sesuai dengan besar daya reaktif yang dibutuhkan oleh generator. Sedangkan inverter yang terhubung dengan rotor bekerja pada frekuensi yang sesuai dengan frekuensi putaran generator. Dengan menggunakan konfigurasi seperti ini, besar arus yang mengalir pada rotor dapat di atur sesuai dengan daya yang akan dibangkitkan.

Keuntungan dari generator induksi masukan ganda diantaranya adalah tegangan dan frekuensi yang dihasilkan dapat tetap besarnya walaupunkecepatan putarnyaberubah- ubah.

Namun generator jenis ini membutuhkan inverter sebagai pengatur tegangan pada rotor dan juga rotor jenis kumparan karena generator ini membutuhkan sumber pada rotornya.Sehingga tidak semua jenis mesin induksi dapat digunakan sebagai generator induksi jenis ini. Selain itu juga generator ini membutuhkan adanya jaringan listrik untuk dapat beropasi, karena sumber daya reaktif yang dibutuhkan oleh generator berasal dari jaringan. Sehingga apabila tidak ada jaringan listrik atau generator lain yang memberikan daya reaktif maka generator jenis ini tidak dapat beroperasi. Selain itu jika terjadi gangguan pada jaringan atau blackout jaringan generator ini juga tidak dapat beroprasi.

2. generator induksi berpenguat sendiri

Pada generator induksi berpenguat sendiri, eksitasi diperoleh dari kapasitor yang dipasang parallel pada terminal keluaran generator. Generator induksi jenis ini bekerja seperti mesin induksi pada daerah saturasinya hanya saja terdapat bank pasitor yang dipasang pada terminal statornya. Karena sumber eksitasi generator ini berasal dari kapasitor yang pada terminalnya maka mesin induksi dengan rotor kumparan maupun sangkar bajing dapat digunakan sebagai generator induksi berpenguat sendiri.

Generator induksi jenis ini memiliki beberapa keuntungan yaitu:

1. Tidak membutuhkan pengaturan tegangan pada rotornya.

2. Tidak memerlukan inverter.

3. Disain peralatan yang tidak rumit.

4. Harga pembuatan lebih murah.

5. Perawatan yang diperlukan murah dan tidak sulit.

6. Dan tidak memerlukan jaringan listrik untuk dapat beroperasi

Namun generator induksi berpenguat sendiri juga dapat beroperasi dalam suatu jaringan lisrtik dan tetap dapat beroperasi walaupun terdapat gangguan pada jaringan. Oleh karena itu generator induksi berpenguat sendiri lebih fleksibel dalam pengoprasiannya.

Generator induksi berpenguat sendiri merupakan pilihan yang tepat untuk memenuhi kebutuhan energy di tempat yang terisolir dimana daya reaktif dari jaringan listrik tidak atau belum ada. Sumber energy yang digunakan untuk mensuplai generator dapat berasal dari sumber energy yang tidak terlalu besar jumlahnya, seperti kincir angina ataupun kincir air di sungai (yang biasa dikenal dengan pembangkit listrik tenaga mikrohidro).

Dengan melihat kondisi di Indonesia dimana terdapat beberapa daerah yang belum terjangkau listrik, generator induksi berpenguat sendiri merupakan salah satu solusi yang tepat. Hal ini karena generator induksi berpenguat sendiri dapat beroperasi sendiri tanpa adanya jaringan listrik, maka generator ini merupakan pilihan tepat untuk pengembangan jaringan listrik di Indonesia. Dengan melihat besarnya sumber energy angin yang dimiliki Indonesia masih belum tereksplorasi secara maksimal kesempatan menggunakan generator induksi berpenguat sendiri sebagai pembangkit listrik tenaga baru masih cukup besar. Karena Indonesia adalah Negara kepulauan maka sudah tentu terdapat banyak sungai. Bahkan di daerah pendalaman sekalipun biasanya terdapat sungai. Sungai-sungai ini dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga mikrohidro untuk memenuhi kebutuhn desa-desa disikitarnya yang belum terjangkau jaringan listrik. Dengan melihat kenyataan ini maka dapat diketahui bahawa kesempatan penggunaaan generator induksi berpenguat sendiri cukup besar. Oleh karena itu dibutuhkan pengembangan teknologi pendukungnya agar kualitas energy yang dihasilkannya menjadi lebih baik.

Aplikasi Generator Induksi

Generator induksi telah dikenal sejak awalabad 20, tapi antara tahun 1960-an dan 1970-an hampir tidak lagi terlihat digunakan. Namun, generator induksi membuat sebuah comebacksejak harga minyak yang mengejutkan pada 1973. Karena mahalnya biaya untuk menghasilkanenergi, pemanfaatanenergi menjadi 6 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 daritotal kebutuhan daya konsumen. Pada pengoperasian seperti ini, sistem tenaga dapat mengontrol tegangan dan frekuensi, sedangkan kapasitor statis dapat digunakan untuk koreksifaktor daya.

Aplikasinya terdapat pada generator Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut (PLTGL)

Jenis generator yang digunakan pada PLTGL ialah jenis Generator Asinkron (generator tak-serempak) yang merupakan motor induksi yang dirubah menjadi generator, generator ini dipilih karena PLTGL sebagai energi alternatif tidak banyak membutuhkan perawatan seperti halnya generator sinkron, lebih kuat, handal, harga lebih murah dan tidak membutuhkan bahan bakar pada saat diaplikasikan di lapangan, tapi cukup bergantung pada sumber energi terbarukan seperti air, angin, dan lain – lain sebagai prime over (penggerak mula). Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh

masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC (Alternating Current).

Turbin dan Generator Asinkron

Aplikasi Generator Induksi pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Generator induksi sering dipasang guna mencukupi suplai daya tambahan untuk beban di daerah terpencil dimana layanan saluran transmisinya terbatas. Dengan segala keunggulan yang disebutkan diatas adalah pilihan yang tepat pada kasus ini digunakan mesin induksi sebagai generator.

Penggunaan generator induksi pada system pembangkit tenaga angin dimana mesin atau kincir angin yang memutar generator tidak mengharuskan pada kecepatan sinkronnya. Dengan demikian, jika daya yang dibangkitkan tidak mensyaratkan frekwensi dan tegangan tetap maka generator dapat dioperasikan stand alone, atau terisolasi, terlepas dari saluran publik (Chan, 1993: 2-3). Jenis beban yang dapat dilayani oleh generator induksi ini diantaranya adalah mesin pompa air, kipas angin atau pemanas.

Angin hampir ada di setiap permukaan bumi, tetapi hanya sedikit daerah yang bisa memanfaatkan angin sebagai sumber energi. Daerah tersebut terutama terdapat dibelahan bumi bagian utara dan selatan, yaitu didaerah dimana keadaan angin cukup stabil kekuatan dan frekuensinya.

Contohnya di Swedia dan Jerman banyak unit tenaga angin dibangun di wilayah sepanjang pantai negara ini. Juga didaerah pegunungan. Gambar 1. merupakan contoh dari skema unit tenaga angin (Thedy, 2003: 4).

Anemometer

Mengukur kecepatan angin dan mengirimkan data kecepatan angin ke pengontrol

Blades

Kebanyakan turbin baik dua atau tiga pisau. Angin bertiup di atas menyebabkan pisau pisau untuk mengangkat dan berputar

Brake

Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.

Controller

Pengontrol mesin mulai dengan kecepatan angin sekitar 8-16 mil per jam (mph) dan menutup mesin turbin sekitar 55 mph. tidak beroperasi pada kecepatan angin sekitar 55 mph di atas, karena dapat rusak karena angin yang kencang.

Gear box

Gears menghubungkan poros kecepatan tinggi di poros kecepatan rendah dan meningkatkan kecepatan sekitar 30-60 rotasi per menit (rpm), sekitar 1000-1800 rpm, kecepatan rotasi yang diperlukan oleh sebagian besar generator untuk menghasilkan listrik. gearbox adalah bagian mahal (dan berat) dari turbin angin dan insinyur generator mengeksplorasi direct-drive yang beroperasi pada kecepatan rotasi yang lebih rendah dan tidak perlu kotak gigi.

Generator

Biasanya standar induksi generator yang menghasilkan listrik dari 60 siklus listrik AC.

High-speed shaft

Drive generator.

Low-speed shaft

Mengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rotasi per menit.

Low-speed shaft

Mengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rotasi per menit.

Pitch

Blades yang berbalik, atau nada, dari angin untuk mengontrol kecepatan rotor dan menjaga rotor berputar dalam angin yang terlalu tinggi atau terlalu rendah untuk menghasilkan listrik.

Rotor

Pisau dan terhubung bersama-sama disebut rotor

Tower

Menara yang terbuat dari baja tabung (yang ditampilkan di sini), beton atau kisi baja. Karena kecepatan angin meningkat dengan tinggi, menara tinggi memungkinkan turbin untuk menangkap lebih banyak energi dan menghasilkan listrik lebih banyak. Tower Pembangkit Listrik Tenaga Angin dapat dibedakan menjadi 3 jenis seperti gambar.. Setiap jenis tower memiliki karakteristik masing-masing dalam hal biaya, perawatan, efisiensinya, ataupun dari segi kesusahan dalam pembuatannya

Tower (kiri) Guyed (Tengah Lattice (kanan) Mono-structure

Wind direction

Ini adalah turbin pertama”yang disebut karena beroperasi melawan angin. turbin lainnya dirancang untuk menjalankan “melawan arah angin,” menghadap jauh dari angin.