Abstrak—Mesin  induksi  dapat  menghasilkan  daya  saat kecepatannya  di  atas  kecepatan  sinkron,  bisa  disebut  juga sebagai  generator  induksi.  Mesin  induksi  memiliki  kelebihan yaitu  konstruksinya  yang  simpel,  level  short-circuit  yang rendah,  perawatan  yang  mudah,  dan  harganya  lebih  murah. Dari  semua  kelebihan  tersebut,  mesin  induksi  juga  memiliki kekurangan  saat  difungsikan  sebagai  generator  yaitu karakteristik  regulasi  tegangan  dan  frekuensi  yang  tidak memuaskan  serta  membutuhkan  daya  reaktif  untuk  menjaga eksitasi.  Perlu  diketahui  bahwa  generator  induksi  tidak menghasilkan  daya  reaktif,  tetapi  membutuhkan  daya  reaktif dari  luar.  Untuk  mengatasi  masalah  di  atas,  digunakanlah elektronika  daya  dengan  menerapkan  metode  Current- Controlled  pada  Voltage  Source  Inverter  (CC-VSI)  sebagai pengontrol tegangan dan frekuensi output dari generator serta menyediakan  daya  reaktif  untuk  beban  pada  sisi  AC.  Sistem tersebut diperoleh dengan memberikan sinyal Sinusoidal Pulse Width  Modulation  (SPWM)  ke  IGBT/MOSFET  pada  inverter untuk  pensaklaran.  Dengan  adanya  CC-VSI,  eksitasi  yang dibutuhkan  mesin  dapat  terpenuhi  serta  frekuensi,  tegangan, dan aliran daya dapat dikontrol.
Kata Kunci — Generator induksi, current-controlled, voltage source inverter, sinusoidal pulse width modulation

## I. PENDAHULUAN
ARAKNYA pemanfaatan energi
terbarukan (renewable  energy) menjadi  sebuah  tantangan tersendiri demi kemajuan konsumsi energi dunia. Pembangkitan  listrik  menggunakan  energi  terbarukan merupakan sumber energi  yang bersih dan dapat digunakan secara  terus-menerus.  Indonesia  memiliki  banyak  potensi sumber  energi  terbarukan  yang  dapat  dimanfaatkan  untuk menambah kapasitas energi listrik sehingga dapat memasok energi ke konsumen yang semakin lama semakin bertambah. Karena  penyebaran  listrik  yang  belum  merata,  daerah  yang terpencil  bisa  memanfaatkan  sumber  energi  terbarukan sebagai pembangkit stand-alone.
Sumber  energi  terbarukan  yang  biasanya  terletak  di daerah terpencil di mana pasokan utilitas tidak tersedia atau sering terputus, sehingga sering menempatkan sumber energi dengan  sistem stand-alone untuk  memasok  beban.  Sumber energi tersebut dapat berupa air, angin, cahaya matahari, dan lain  sebagainya.  Situasi  seperti  ini  mengharuskan  sistem pembangkit  listrik  energi  terbarukan  melakukan  regulasi tegangan agar kualitas daya yang dihasilkan dapat digunakan dengan  baik  [1].  Dalam  pembangkitan  energi  terbarukan generator induksi lebih sering digunakan karena lebih cocok dengan  digunakan  pada  kecepatan  yang  berubah-ubah  dan perawatannya  yang  mudah.  Masalah  yang  ada  pada  sistem
stand-alone adalah  pada  keefektifan  konsumsi  dayanya, karena  penggunaan  beban  akan  berubah  tergantung  dari waktu ataupun keadaan. Karena itu diperlukan sebuah sistem agar kontinuitas daya dapat terjaga.
Salah satu contoh pada aplikasi sistem stand-alone seperti topologi di bawah [2]:
Prime Mover G C ac Generator Induksi PWM PWM PWM PWM PWM PWM L f Load S 1 S 3 S 5 S 4 S 6 S 2 Dump Load / Storage
Gambar 1. Topologi Sistem Stand-Alone dengan Kecepatan Tetap
Pada sistem pembangkitan listrik, generator dikopel oleh prime mover dari turbin sehingga dapat menghasilkan daya. Kemudian output generator induksi disambungkan ke sebuah converter  tiga  fasa.  Fungsi  dari  konverter  ini  adalah mengkonversikan  AC (Alternating  Current) ke  DC (Direct Current) yang  kemudian  arus  tersebut  akan  disimpan  ke dalam baterai. VSI memiliki tiga fungsi penting dalam sistem yaitu:
a) Menetapkan frekuensi generator induksi agar konstan
b) Memberikan mekanisme regulasi tegangan sistem
c) Mengganti  daya  reaktif  yang  dibutuhkan  generator induksi dan beban AC
Beban  pada  bagian  DC  bisa  berupa  resistor  untuk membuang  daya  berlebih  atau  berupa  baterai.  Dengan menggunakan  beterai,  daya  berlebih  yang  dihasilkan generator  bisa  disimpan  dan  dapat  digunakan  untuk penambah daya saat dalam kondisi kelebihan beban [1].

## II. URAIAN PENELITIAN

## Voltage Source Inverter (VSI) 3 Fasa
VSI  satu  fasa  mencakup  aplikasi  pada  daya  rendah  dan VSI  tiga  fasa  mencakup  aplikasi  pada  daya  menengah  dan daya  tinggi.  Tujuan  utama  dari  topologi  ini  adalah  untuk menyediakan  sumber  tegangan  tiga  fasa  dimana  amplitudo, fase, dan frekuensi dari tegangan selalu dapat dikontrol [4]. Topologi standar dari VSI tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.

## Desain dan Implementasi Current-Controlled Voltage Source Inverter untuk Kontrol Tegangan dan Frekuensi Generator Induksi Tiga Fasa
Resa Hidayat Pramasdeka, Dedet Candra Riawan dan Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 e-mail: dedet@ee.its.ac.id; ashari@ee.its.ac.id
M
Gambar 2. Topologi VSI 3 fasa [4]
Rangkaian  VSI  terdiri  dari  enam  saklar,  dimana  saklar tersebut  dapat  berupa  BJT (Bipolar  Junction  Transistor) , FET (Field  Effect  Transistor), atau  IGBT (Insulated  Gate Bipolar  Transistor). Masing-masing  saklar  memiliki karakteristik yang berbeda, BJT dikendalikan menggunakan aliran  arus  sedangkan  FET  dan  IGBT  dikendalikan menggunakan tegangan. Inputnya dapat berupa sinyal PWM dengan  frekuensi  tinggi.  Tabel  2.1  menjelaskan  kondisi penyalaan saklar VSI 3 fasa.

## Pulse Width Modulation
Tegangan  output  dari  inverter  dapat  diatur  dengan menjalankan  kontrol  dalam  inverter.  Metode  paling  efisien adalah  dengan  menggunakan  pulse  width  modulation (PWM). Dalam metode ini, input tegangan dc tetap diberikan kepada  inverter  dan  output  tegangan  ac  didapatkan  dengan mengatur  mati  nyala  dalam  periode  tertentu  pada  inverter menggunakan  PWM.  Konsep  dari  Pulse  Width  Modulation (PWM) adalah memberikan duty cycle yang berbeda-beda di saklar  konverter  pada  frekuensi  tinggi  untuk  memperoleh output  tegangan  atau  arus  dengan  frekuensi  yang  diingikan (50  atau  60  Hz).  Tujuan  lainnya  adalah  untuk  mengetahui cara yang paling efektif mengatur proses pensaklaran untuk meminimalisasi  distorsi  harmonis  atau  losses  pensaklaran [5].  Ketika  amplitudo  sinyal  sinus  yang  dimodulasi  lebih besar  dari  sinyal  segitiga  karier,  maka  akan  terjadi over modulasi [6]. Keuntungan dari penggunaan PWM adalah:
a) Kontrol  tegangan  output  dengan  metode  ini  dapat diperoleh tanpa tambahan komponen.
b) Harmonisa  lebih  mudah  untuk  dihilangkan  atau diminimalisir dengan menggunakan filter harmonisa.

## Sinusoidal PWM
Teknik PWM ini dilakukan dengan cara mengkomparasi sinyal sinus dan sinyal segitiga. Sinyal segitiga ini berfungsi sebagai  sinyal  karier  yang  frekuensinya  bisa  diatur  sesuai kebutuhan.  Pada  VSI  3  fasa,  untuk  menghasilkan  tegangan beban  berbeda  120 o ,  dibutuhkan  tiga  sinyal  modulasi  yang berbeda 120 o pula [4].
Gambar 3. Sinyal Modulasi dan Sinyal Input 3 Fasa [4]
Gambar  4  memperlihatkan  input  sinyal  tiga  fasa  dan PWM pada saklar S 1 dan S 3 . Sinyal tersebut adalah hasil dari proses modulasi dimana sinyal tersebut berbeda sudut 120 o .
Gambar 4. Input Sinyal PWM S 1 dan S 3 [4]
Gambar 5. Sinyal Hasil Inverter PWM pada 1 Fasa [4]
Current Controlled PWM VSI 3 Fasa.
Curent  controlled PWM  merupakan  salah  satu  metode yang  bisa  digunakan  untuk  mengatur  kondisi  pensaklaran inverter 3 fasa. Tujuan dari metode ini adalah mengatur arus output inverter mengikuti arus referensi yang diberikan. Pada umumnya  teknik current  control VSI  3  fasa  dapat  dibagi menjadi linear control , hysteristis control , predictive control , delta  modulation  control dan neural-fuzzy  control [10]. Dalam  tugas  akhir  ini  hanya  akan  dibahas  tentang linear current controlled . Linear current controlled atau dapat juga disebut dengan sine-triangle regulator merupakan metode current controlled yang  dapat  digunakan  untuk  mengatur  arus  output  dari inverter. Metode kontrol ini menggunakan tiga kontroller PI yang digunakan pada masing-masing fasa. Prinsip sederhana dari  metode  kontrol  ini  adalah  membandingkan    sinyal referensi  dengan  sinyal  terukur  output  inverter.  Kemudian akan  menghasilkan  suatu  sinyal  output  kontroller  PI  yang akan  dimodulasikan  dengan  sinyal  segitiga.  Hasil  modulasi tersebut  akan  digunakan  untuk  pensaklaran  pada  inverter  3 fasa.
PI + + + + + + - - - - - i a * i b * i c * i a i b i c S a S b S c Sinyal Segitiga u e 1 PI
PI u e 2 u e 3
Gambar 6 di atas menunjukkan salah satu metode current controlled yang digunakan untuk mengatur pensaklaran dari inverter.  Arus output dari inverter akan  mengikuti besarnya arus referensi yang diberikan.
Hasil  dari  modulasi  sinyal  output  PI  kontroller  dengan sinyal  segitiga  berupa  sinyal  PWM  yang  digunakan  untuk pensaklaran  VSI.  S a adalah  PWM  sinyal  pensaklaran  untuk S 1 dan  S 4 ,  S b PWM  sinyal  pensaklaran  untuk  S 3 dan  S 6 ,  S c adalah PWM sinyal pensaklaran untuk S 2 dan S 5 .

## Voltage Source Current Controlled PWM
Voltage  source  current  controlled  PWM yaitu  proses dimana sinyal PWM dibangkitkan oleh sinyal referensi dari tegangan  terminal . Tujuan  dari  kontrol  ini  adalah  menjaga tegangan di terminal sistem konstan dengan cara mengontrol arus output inverter. Metode kontrol konverter digambarkan sebagai berikut:
Baterai PULSE WIDTH MODULATION L f S 1 S 3 S 5 S 4 S 6 S 2 x + PI PI PI + + x x I ref V ref BEBAN AC Generator Induksi BANK KAPASITOR + PI
Gambar 7. Voltage Source Current-Controlled PWM Inverter [7]
Fungsi  dari  sistem  kontrol  ini  adalah  untuk  mengatur aliran  daya  aktif  dimana  sisi  DC  konstan  karena  berupa baterai. Jika daya generator melebihi kebutuhan beban, maka daya  sisa  akan  mengalir  ke  inverter  dan  disimpan  di  dalam baterai. Jika beban lebih besar dari kapasitas generator, maka baterai akan ikut menyuplai daya ke beban. Hal ini dilakukan dengan  metode current-controlled ,  sehingga  didapatkan sinyal  berupa sinusoidal  pulse  width  modulation  ( SPWM). Sinyal  tersebut  kemudian  digunakan  pada  IGBT/MOSFET pada konverter.

## III. DESAIN DAN IMPLEMENTASI

## Desain Sistem
Untuk  mengatur  output  generator  induksi  dapat menggunakan  rangkaian  VSI.  Desain  rangkaian  VSI  yang dimodelkan  dengan  program  simulasi  dapat  dilihat  pada Gambar 8.

## Gambar 8. Desain Sistem
Fungsi  dari  rangkaian  VSI  adalah  menghasilkan  arus reaktif yang digunakan untuk membangkitkan medan magnet pada rotor generator induksi. Besarnya arus yang dikeluarkan VSI  bergantung  pada  metode switching VSI.  Dengan mengatur  besarnya  arus  reaktif  yang  mengalir  dapat  diatur tegangan  output  generator  induksi.  Frekuensi  output generator induksi akan mengikuti frekuensi switching VSI 3 fasa yang diatur konstan 50 Hz.
Tujuan  utama  pemasangan  rangkaian  VSI  pada pengoperasian  generator  induksi  adalah  untuk  mengatur tegangan dan frekuensi output generator induksi konstan. Hal ini dilakukan dengan cara mengoperasikan generator induksi dengan  daya  output  yang  konstan.  Daya  output  generator induksi dapat dialirkan ke beban dan dapat diserap rangkaian VSI.  Daya  aktif  yang  dihasilkan  generator  induksi  dapat dirumuskan:
inv beban gen P P P   P gen
= Daya aktif yang dihasilkan generator P inv
= Daya aktif yang diserap inverter P beban = Daya yang disalurkan ke beban.
Apabila  terjadi pengurangan  beban,  rangkaian  VSI  akan menyerap  daya  yang  tidak  dialirkan  ke  beban.  Pada  sisi  dc VSI dipasang baterai yang digunakan untuk penyerapan daya inverter.
Untuk  menganalisis  rangkaian  VSI  tersebut  dilakukan pemodelan terhadap masing-masing komponen pada Gambar 8.  Komponen-komponen  yang  diimplementasikan  adalah inverter  tiga  fasa  dan  pembangkit  sinyal  SPWM  untuk current-controlled .

## Parameter Generator Induksi
Mesin induksi yang digunakan sebagai referensi adalah mesin  induksi  yang  ada  di  laboratorium  dengan  spesifikasi peralatan sebagai berikut [8] :
Tabel 1. Parameter Mesin Induksi Parameter Nilai R 1 1,0297 Ω X 2 1,02 Ω R 2 0,4973 Ω X 2 1,02 Ω X M 12,3771 Ω V TH 51,584 V R TH 0,879 Ω X TH 1,02 Ω S max 22,39 % τ max 8,19257 N.m τ ind 5,46542 N.m τ start 4,1716 N.m
Parameter-parameter  tersebut  akan  disesuaikan  dengan kebutuhan  data  pada  simulasi  mesin  induksi  dan implementasi CC-VSI.

## Model Implementasi Sistem
Dalam implementasi, pengujian yang dilakukan adalah dengan  metode open  loop .  VSI  dalam  implementasi  terdiri dari inverter, driver, dan mikrokontroller untuk membangkitkan  sinyal  SPWM.  Rangkaian  yang  digunakan dalam sistem ini dapat dilihat pada gambar 9.
ARDUINO MEGA GENERATOR INDUKSI DRIVER TLP250 (6) DC SUPPLY INDUKTOR CAPACITOR BANK MOSFET IRFP460 (6) BEBAN

## Gambar 9. Model Implementasi Sistem
Pada  implementasi  terdapat  resistor  dan  kapsitor  pada sisi DC. Hal tersebut dikarenakan saat implementasi alat tidak menggunakan  baterai  melainkan  menggunakan  DC  supply. Resistor  dan  kapasitor  pada  sisi  DC  berguna  untuk menghambat  arus  masuk  ke  DC  supply  agar  tidak  rusak. Gambar 9 di atas menunjukkan rangkaian inverter 3 fasa ini terdiri  dari  3  lengan  dengan  6  saklar.  Kondisi  pensaklaran pada VSI ini diatur dengan metode linear current controlled PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroller.

## Implementasi VSI
Implementasi  dilakukan  untuk  mengetahui  kinerja inverter  berdasarkan  desain  dan  simulasi.  Komponen  yang digunakan dalam implementasi:
Tabel 2. Komponen Implementasi CC-VSI
Komponen Spesifikasi Mikrokontroler Arduino Mega 2560 MOSFET IRFP460 Induktor 10 mH Bank Kapasitor 300 uF Beban R 5 ohm
Gambar 10 merupakan implementasi voltage source inverter yang dapat difungsikan secara bidirectional:
Gambar 10. Implementasi VSI

## IV. PENGUJIAN

## Pengujian Sinyal SPWM
Pengujian  sinyal  SPWM  dilakukan  agar  saat  sinyal digunakan  untuk  men-trigger  MOSFET  tidak  terjadi kesalahan.  Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan osiloskop digital. Sinyal yang diamati adalah sinyal SPWM output mikrokontroler, sinyal output driver, dan sinyal hasil inverting.
Sinyal  SPWM  dihasilkan  oleh  Arduino  sebagai mikrokontroler.  Frekuensi  sinyal  SPWM  yang  digunakan adalah sebesar 3.9 kHz diambil dari prescaler yang ada pada Arduino. Frekuensi untuk output inverter juga dapat diatur di dalam kode Arduino.

## Gambar 11. Sinyal SPWM
Dari  tiga  buah  sinyal  SPWM  tersebut,  dibuat  menjadi enam  buah  sinyal  dan  tiga  diantaranya  dimasukkan  ke gerbang  NOT  untuk  diinverting.  Proses  inverting  yaitu mengubah nilai PWM dari on menjadi off dan sebaliknya.
Gambar 12. Output Inverting SPWM
Enam  sinyal  tersebut  kemudian  masuk  ke  rangkaian driver  untuk  dinaikkan  tegangannya  agar  dapat  men-trigger MOSFET. Sinyal yang tidak diinverting masuk ke MOSFET 1,  3,  dan  5.  Sedangkan  sinyal  yang  diinverting  masuk  ke MOSFET  2,  4,  dan  6.  Sinyal  ini  dibentuk  Arduino  dengan cara memanggil tabel angka pada kode. Tabel angka tersebut membentuk  jajaran duty  cycle sehingga  terbentuklah  sinyal PWM.

## Pengujian CC-VSI Tanpa Beban
Pengujian ini dilakukan untuk melihat performa inverter tiga  fasa.  Pengujian  tanpa  beban  dengan  memberikan  input DC  ke  dalam  inverter  dan  melihat  bentuk  gelombang tegangan yang dihasilkan. Berikut adalah bentuk gelombang tegangan line-to-line pada inverter pada tegangan input DC 10 volt dan indeks modulasi 1.

## Gambar 13. Gelombang Tegangan Output Inverter
Nilai  tegangan  peak-to-peak  pada  Gambar  13  adalah 21V, maka nilai rmsnya adalah:
𝑉 𝑟𝑚𝑠 = 𝑉 𝑃𝑃 2√2 = 21 2√2 = 7.424 𝑉
Nilai  tersebut  dapat  dibuktikan  melalui  persamaan tegangan  output  inverter.  Tegangan  output  inverter dipengaruhi oleh tegangan dc input dan indeks modulasi dari sinyal  SPWM.  Maka,  nilai  tegangan  line-to-line  output inverter dapat dihitung dengan persamaan berikut.
𝑉 𝐿𝐿(𝑟𝑚𝑠) = 𝑚 √3 2√2 ∙ 𝑉 𝐷𝐶 = 1 ∙
√3 2√2 ∙ 10 = 6.123 𝑉
Hasil  pengujian  lebih  besar  dibandingkan  dengan  hasil perhitungan.  Adanya  kenaikan  tegangan  akibat  proses pensaklaran  yang  tidak  sempurna  karena  adanya spike gelombang. Pengujian juga dilakukan dengan mengubah nilai frekuensi  input  sinyal  referensi.  Sinyal  frekuensi  yang
diberikan  adalah  50Hz  dan  60Hz.  Berikut  adalah  hasil pengujian saat mengubah nilai frekuensi:
(a)
(b)
Gambar 14.  Gelombang Tegangan Output Inverter: (a) Frekuensi 50Hz; (b) Frekuensi 60Hz
Frekuensi  yang  dapat  diatur  pada  mikrokontroler  adalah frekuensi  SPWM  dan  frekuensi  per cycle nya.  Frekuensi SPWM  akan  mempengaruhi  kecepatan  pensaklaran  pada MOSFET.  Hal  tersebut  akan  berpengaruh  ke  bentuk gelombang  output  dari  inverter.  Semakin  besar  kecepatan pensaklaran,  maka  akan  semakin  halus  bentuk  gelombang yang  dihasilkan.  Sedangkan  untuk  frekuensi cycle SPWM akan berpengaruh ke frekuensi output AC.

## Pengujian CC-VSI Beban Resistif
Selanjutnya  adalah  pengujian  inverter  dengan  beban resistif.  Beban  yang  digunakan  adalah  3  buah  Rheostat dengan  resistansi  10  ohm.  Pengujian  ini  dilakukan  untuk melihat bentuk gelombang tegangan dan arus output inverter. Pengujian ini dilakukan dalam dua kondisi yaitu dengan filter L dan filter LC. Induktor sebagai filter arus dipasang seri pada output  inverter.  Kapasitor  sebagai  filter  tegangan  dipasang paralel dan dikoneksikan wye.
Induktor  dipasang  seri  di  sisi  ouput  inverter.  Fungsi induktor adalah sebagai filter arus masuk ke terminal sistem. Nilai induktor  yang digunakan adalah 10mH. Nilai tersebut diperoleh  melalui  hubungan  antara  tegangan  line,  tegangan dc, dan daya pada sistem.
𝑋 𝐿 = √3  ∙  𝑉 𝑑𝑐 ∙  𝑉 𝐿 2  ∙  𝑃 = √3 ∙ 138 ∙ 106 2 ∙ 417 = 30,379 𝑜ℎ𝑚
𝐿 = 𝑋 𝐿 𝜔 = 30,379 2𝜋 ∙ 50 = 0.0967 𝐻
Didapatkan nilai induktor sebesar 9.67mH. Nilai V DC , V L , dan  P  diperoleh  dari  simulasi  sistem  dan  nilai  induktor tersebut dapat digunakan pada program simulasi. Tetapi pada implementasi,  nilai  belitan  induktor  adalah  10mH.  Hal tersebut dikarenakan belitan induktor tidak bisa sama dengan nilai  tersebut  dan  nilai  yang  digunakan  adalah  nilai  yang dekat tetapi lebih besar.

## Gambar 16. Gelombang Output Inverter dengan Filter LC
Fungsi  kapasitor  adalah  sebagai  filter  tegangan  dan membantu inverter untuk menyuplai daya reaktif ke generator saat  dibutuhkan.  Nilai  kapasitor  yang  digunakan  adalah 300uF.  Nilai  tersebut  didapatkan  dari  perhitungan  dengan nilai reaktansi magnetisasi generator.
𝑋 𝑀 = 𝑋 𝐶 = 12.3771 𝐶 = 1 𝜔 ∙ 𝑋 𝐶 = 1 2𝜋 ∙ 50 ∙ 12.3771 = 257.176 𝜇𝐹
Nilai tersebut merupakan nilai kapasitansi minimal yang dibutuhkan  generator  untuk  dapat  eksitasi  pada  sistem generator induksi eksitasi sendiri. Tetapi pada implementasi kapasitor  berfungsi  untuk  filter  dan  penyuplai  eksitasi tambahan  dikarenakan  eksitasi  utama  sistem  adalah  dari inverter.

## Pengujian  CC-VSI  dan  Generator  dengan  Perubahan Kecepatan
Generator  induksi  adalah  mesin  induksi  yang  dikopel dengan  mesin  induksi  lain  yang  dikontrol  dengan menggunakan variable  frequency  drive (VFD)  untuk mengatur  kecepatan  putaran  mesin.  Mesin  diputar  melebihi kecepatan  sinkronnya  yaitu  1500  rpm  yang  didapatkan dengan perhitungan sebagai berikut:
𝑛 𝑠𝑦𝑛𝑐 = 120𝑓 𝑝
𝑛 𝑠𝑦𝑛𝑐 = 120(50) 4 𝑛 𝑠𝑦𝑛𝑐 = 1500 𝑟𝑝𝑚
Oleh  karena  itu  mesin  diputar  di  atas  kecepatan sinkronnya  agar  mesin  dapat  beroperasi  sebagai  generator. Jika mesin diputar semakin cepat, maka slip akan membesar sehingga memperbesar torsi mesin. Hal tersebut menyebabkan  daya  yang  dihasilkan  generator  juga  akan bertambah besar.
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  aliran  daya generator  dan  inverter.  Pada  pengujian  ini,  yang  menjadi variable adalah kecepatan putar mesin. Cara pengujian yaitu pertama  dengan  memutar  mesin  sampai  pada  kecepatan sinkronnya. Kemudian memasukkan input tegangan DC pada inverter  untuk  memberikan  eksitasi  pada  generator  induksi. Tegangan yang digunakan untuk pengujian adalah 15V, 20V, 30V,  40V,  dan  50V.  Setelah  tegangan  DC  dimasukkan, kecepatan  dinaikkan  dengan  mengatur  frekuensi  pada  VFD untuk  melihat  aliran  daya  generator  dan  inverter.  Frekuensi VFD  yang  digunakan  untuk  pengujian  adalah  50Hz,  51Hz, 52Hz, 53Hz, 54 Hz, dan 55Hz. Beban yang digunakan dibuat besar yaitu Rheostat tiga fasa 5 ohm agar sebagian besar daya mengalir ke arah beban. Berikut adalah tabel hasil pengujian:
Tabel 3.
(a) Pengujian Aliran Daya Tegangan 15V, (b) Pengujian Aliran Daya Tegangan 20V, (c) Pengujian Aliran Daya Tegangan 30V, (d) Pengujian Aliran Daya Tegangan 40V dan (e) Pengujian Aliran Daya Tegangan 50V
Frekuensi Kecepatan V DC I DC V AC I INV 50 1489.7 15 1.23 6.5 1 51 1522.5 15 0.83 7.06 0.78 52 1548.7 15 0.6 7.63 0.65 53 1580.3 15 0.44 8.21 0.66 54 1611 15.2 0.37 9.23 0.98 55 1638.2 19.7 0.44 13.3 1.94 (a) Frekuensi Kecepatan V DC I DC V AC I INV 50 1489.7 20 1.7 10 1.47
51
1522.5 20 1.33 10.5 1.09 52 1548.7 20 0.9 10.98 0.86 53 1580.3 20 0.48 11.49 0.88 54 1611 20 0.14 11.91 1.21 55 1638.2 24.7 0.01 15.38 1.88 (b) Frekuensi Kecepatan V DC I DC V AC I INV 50 1489.7 30 2.74 15.4 2.28 51 1522.5 30 2.12 15.94 1.76 52 1548.7 30 1.5 16.62 1.37 53 1580.3 30 1 17.24 1.28 54 1611 30 0.6 17.64 1.47
55
1638.2 30 0.2 18.09 1.93
(c)
Frekuensi Kecepatan V DC I DC V AC I INV 50 1489.7 40 3.7 20.64 3.02 51 1522.5 40 2.9 21.33 2.4 52 1548.7 40 2.3 22 2 53 1580.3 40 1.7 22.6 1.76 54 1611 40 1.32 23.04 1.8 55 1638.2 40 0.82 23.64 2.07 (d) Frekuensi Kecepatan V DC I DC V AC I INV 50 1489.7 50 4.6 25.63 3.71 51 1522.5 50 3.88 26.14 3.17 52 1548.7 50 3.21 27.08 2.7 53 1580.3 50 2.71 27.86 2.44 54 1611 50 2.2 28.5 2.28 55 1638.2 50 1.86 28.6 2.36
(e)
Dari hasil pengujian dapat dilihat bahwa semakin besar kecepatan  yang  diberikan  ke  generator,  arus  di  sisi  dc semakin  turun  pada  tegangan  yang  tetap.  Hal  tersebut dikarenakan semakin cepat putaran, semakin besar daya yang dihasilkan  generator  sehingga  aliran  daya  dari  inverter  ke beban berkurang. Gambar 17 memperlihatkan hasil simulasi aliran daya saat diubah kecepatan generator.
(a)

## (b)
Gambar  17.  Simulasi  Perubahan  Kecepatan  Generator  Induksi:  (a)  1580.3 rpm; (b) 1638.2 rpm
Gambar  17  memperlihatkan  hasil  simulasi  saat kecepatan  generator  dinaikkan.  Daya  pada  sistem  dijaga konstan oleh CC-VSI sehingga saat daya generator melebihi daya  yang  dibutuhkan  beban,  daya  yang  masuk  inverter meningkat.
Analisis selanjutnya adalah pada Tabel 4.1 (a) dan (b) terdapat sedikit perubahan tegangan suplai dc. Misalkan pada data  tegangan  15V  dengan  frekuensi  55Hz  tegangan  dc
berubah  menjadi  19.7V.  Hal  tersebut  dikarenakan  adanya kenaikan  tegangan  sistem  yang  melebihi  tegangan line-to- line pada  indeks  modulasi  sinyal  SPWM  yang  bernilai  1. Permasalahan tersebut dapat dibuktikan dengan perhitungan berikut:
𝑚 = 2√2 ∙ 𝑉 𝐿𝐿 √3 ∙ 𝑉 𝐷𝐶 = 2√2 ∙ 13.3
√3 ∙ 15 = 1.447
Pada  tegangan  sistem  9.64V  nilai  indeks  modulasinya melebihi nilai dari indeks modulasi pensaklaran inverter. Hal tersebutlah yang menyebabkan kenaikan tegangan di sisi dc mengikuti tegangan ac.
Pada Tabel 4.1 arus inverter mengalami perubahan dari turun  menjadi  naik.  Nilai  ini  didapatkan  dari  pengukuran menggunakan amperemeter digital. Nilai tersebut merupakan nilai total arus yaitu arus aktif dan arus reaktif. Hal tersebut disebabkan karena saat kecepatan generator 1580.3 – 1638.2 rpm,  inverter  dalam  kondisi  disuplai  generator.  Maka  arus tersebut adalah aus yang menuju ke inverter.

## Pengujian Aliran Daya Reaktif Generator
Daya  reaktif  terbentuk  karena  arus  yang  mendahului tegangan  atau  yang  biasa  disebut  dengan leading. Daya reaktif  diperlukan  oleh  mesin  induksi  untuk  eksitasi  agar dapat  berfungsi  sebagai  generator.  Pada  pengujian  ini  data yang paling penting adalah sudut daya yang digunakan untuk menentukan  faktor  daya.  Faktor  daya  menentukan  berapa besar  daya  dan  kemana  daya  itu  mengalir.  Gambar  18  (a) merupakan  perbandingan  antara  tegangan  dan  arus  output generator  saat  dioperasikan  pada  kecepatan  1548.7  rpm. Sedangkan pada Gambar 18 (b) merupakan tegangan dan arus menuju ke arah beban.
(a)
(b)
Gambar  18.  Pengujian  pada  Tegangan  20V DC :  (a)  Tegangan  dan  Arus Generator; (b) Tegangan dan Arus Beban
Nilai sudut daya pada Gambar 18 (a) dinamakan lagging yang berarti bersifat induktif. Sedangkan pada Gambar 18 (b)
dinamakan leading yang berarti bersifat kapasitif. Sifat-sifat tersebut  biasanya  dipengaruhi  oleh  beban  atau  komponen yang ada, seperti kapasitor atau induktor. Untuk menentukan daya  reaktif  diperlukan  sudut  daya  tersebut.  Maka  dari  itu dilakukan  perhitungan  daya  reaktif  pada  pengujian  yang direpresentasikan pada tabel berikut:
Tabel 4.
Data Pengujian Daya Reaktif pada Tegangan 20V Titik Pengamatan Tegangan (V) Arus (A) Sin θ Daya Reaktif (VAR) GENERATOR 10 1.03 -0.996 -10.260 10.5 1.14 -0.766 -9.175 10.98 1.45 -0.622 -9.907 11.49 1.94 -0.431 -9.617 11.91 2.46 -0.326 -9.548 15.38 3.46 -0.303 -16.099 INVERTER 10 1.47 0.420 6.171 10.5 1.09 0.592 6.774 10.98 0.86 0.902 8.519 11.49 0.88 0.951 9.616 11.91 1.21 0.798 11.494 15.38 1.88 0.588 16.995 KAPASITOR 10 1.32 -0.962 -12.733 10.5 1.15 -0.941 -11.404 10.98 1.05 -0.904 -10.426 11.49 1.05 -0.930 -11.217 11.91 1.26 -0.960 -14.491 15.38 1.65 -0.991 -25.165 BEBAN 10 1.11 0.498 5.558 10.5 1.18 0.572 7.141 10.98 1.23 0.524 7.111 11.49 1.28 0.465 6.878 11.91 1.34 0.453 7.265 15.38 1.74 0.464 12.437
Tabel 4 adalah tabel hasil pengujian pada semua bagian bercabang pada sistem dengan enam sampel pada kecepatan generator yang berbeda seperti data sebelumnya. Daya reaktif Q didapatkan melalui perkalian antara tegangan line-to-line , arus  belitan,  dan  sin  θ.  Daya  reaktif  yang  terbangkit  pada sistem  merupakan  penjumlahan  dari  daya  reaktif  kapasitor dan  dari  inverter.  Sedangkan  pada  sisi  generator  dan  beban teraliri daya reaktif. Simulasi digunakan untuk dibandingkan dengan hasil pengujian pada kecepatan generator 1638.2 rpm.

## Gambar 19. Simulasi Aliran Daya Reaktif
Dari Gambar 19 dapat dilihat bahwa aliran daya reaktif adalah menuju generator yang disuplai dari inverter dan bank kapasitor,  sedangkan  beban  tidak  ada  aliran  daya  reaktif karena  beban  bersifat  resistif.  Generator  menyerap  daya reaktif  besar  saat  putaran  generator  ditambah  untuk menghasilkan  daya  yang  besar.  Pada  implementasi  terdapat aliran  daya  reaktif  ke  beban  dikarenakan  sifat  beban  tidak resistif murni.

## Pengujian Aliran Daya Aktif  Generator
Pengujian  aliran  daya  aktif  dapat  diperoleh  melalui perhitungan  dari  data  tegangan,  arus,  dan  faktor  daya  pada masing-masing percabangan sistem. Diambil enam data pada masing-masing  percabangan  sistem.  Enam  data  tersebut diukur  pada  kecepatan  yang  berbeda  seperti  pada  Tabel  4. Tabel 5 menjabarkan data yang diperoleh dari pengujian pada tegangan 20V di empat titik pengamatan.
Tabel 5.

## Data Pengujian Daya Aktif pada Tegangan 20V
Titik Pengamatan Tegangan (V) Arus (A) Cos θ Daya  Aktif (W) GENERATOR 10 1.03 0.088 0.905 10.5 1.14 0.642 7.688 10.98 1.45 0.783 12.463 11.49 1.94 0.902 20.109 11.91 2.46 0.945 27.699 15.38 3.46 0.953 50.721 INVERTER 10 1.47 0.908 13.342 10.5 1.09 0.806 9.225 10.98 0.86 0.431 4.074 11.49 0.88 -0.309 -3.125 11.91 1.21 -0.603 -8.693 15.38 1.88 -0.809 -23.392 KAPASITOR 10 1.32 0.271 3.591 10.5 1.15 0.338 4.097 10.98 1.05 0.427 4.922 11.49 1.05 0.368 4.441 11.91 1.26 0.279 4.210 15.38 1.65 0.134 3.393 BEBAN 10 1.11 0.867 9.689 10.5 1.18 0.820 10.228 10.98 1.23 0.851 11.546 11.49 1.28 0.885 13.090 11.91 1.34 0.891 14.290 15.38 1.74 0.886 23.730
Tegangan  dan  arus  dari  Tabel  5  diperoleh  dari pengukuran menggunakan multimeter. Sedangkan data faktor daya  diperoleh  dengan  membandingkan  gelombang  pada osiloskop  sehingga  didapatkan  sudut  dayanya.  Seperti  yang telah dijelaskan bahwa semakin cepat putaran generator maka akan  semakin  besar  daya  yang  dihasilkan.  Daya  yang  telah dihitung dapat dibandingkan dengan membandingkan antara daya  yang  dihasilkan  dan  daya  yang  diserap.  Daya  yang dihasilkan adalah penjumlahan dari daya generator dan daya inverter  yang bernilai positif.  Sedangkan daya  yang diserap adalah  penjumlahan  dari  daya  kapasitor,  daya  beban,  dan daya  inverter  yang  bernilai  negatif.  Perhitungan  tersebut disusun dalam Tabel 8 berikut.
Tabel 6. Perbandingan Daya Aktif pada Tegangan 20V Daya Dihasilkan (W) Daya Diserap (W) 14.247 13.280 16.913 14.325 16.538 16.468 16.985 17.532 19.006 18.500 27.329 27.124
Dari  tabel  di  atas,  terdapat  selisih  antara  daya  yang dihasilkan dan daya yang diserap. Selisih tersebut merupakan losses dari sistem yang disebabkan oleh impedansi kabel dan
losses pensaklaran. Simulasi digunakan untuk dibandingkan dengan hasil pengujian pada kecepatan generator 1638.2 rpm.

## Gambar 20. Simulasi Aliran Daya Aktif
Pada  Gambar  20  aliran  daya  aktif  mengalir  dari generator menuju beban dan inverter. Daya aktif tidak masuk ke  bank  kapasitor  sedangkan  pada  implementasi  ada  daya aktif  yang  mngalir.  Hal  tersebut  menandakan  bahwa kapasitor pada implementasi tidak murni bersifat kapasitif.

## V. KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi,  implementasi,  dan  analisis  data  yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa:
1) Saat  mesin  induksi  beroperasi  di  atas  kecepatan sinkronnya  dan  diinjek  tegangan  pada  nominal  tertentu dari  inverter,  maka  mesin  akan  beroperasi  sebagai generator dan menyerap daya reaktif.
2) Kecepatan  generator  induksi  akan  menentukan  besar daya  yang  dihasilkan,  sehingga  akan  berpengaruh  pada aliran daya sistem baik daya aktif maupun daya reaktif.
3) Daya  pada  sistem  akan  dijaga  konstan  oleh  inverter dengan  cara  menyerap  dan  menyuplai  daya.  Maka  dari itu,  baterai  sebagai  media  penyimpan  sangat  cocok digunakan  pada  sistem yang  dapat  beroperasi bidirectional.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] E. Muljadi and T. A. Lipo, “Series Compensated PWM Inverter with Battery  Supply  Applied  to  an  Isolated  Induction  Generator,” IEEE Trans., vol. 30, pp. 1073-1082, Juli/Agustus 1994 [2] E.  G.  Marra  and  J.  A.  Pomilio,  “ Self-Excited  Induction  Generator Controlled  by  a  VS-PWM  Bidirectional  Converter  for  Rural Application ,” IEEE Trans., vol. 35, pp. 877-883, Juli/Agustus 1999
[3] S. J. Chapman, “Electric Machinery Fundamentals” , Mc Graw-Hill, NY, 2005
[4] M.  Rashid, “Power  Electronics  Handbook” ,  Academic  Press, Calefornia, 2001 [5] M. S. Abu-hamdeh, “Modeling of Bi-directional Converter for Wind Power Generation”, The Ohio State University, 2009 [6] Infineon , “Different  PWM  Waveforms  Generation  for  3-Phase  AC Induction  Motor  with  XC164CS” ,  Infineon  Technologies  AG, Munchen, 2006
[7] Jose    R.    Rodriguez,  Juan  W.    Dixon,  Jose  R.  Espinoza,  and  Pablo Lezana, "PWM  Regenerative  Rectifiers:  State  of  the  Art", IEEE Trans.  Ind. Electron., vol. 52, no. I, pp. 5-22, Feb. 2005.
[8] Q.  Muhammad.  “Penurunan  Rating  Tegangan  pada  Belitan  Motor Induksi 3 Fasa dengan Metode Rewinding untuk Aplikasi Kendaraaan Listrik”, ITS, Surabaya, 2013.