## PERANAN KAPASITOR PADA PEMBANGKITAN TEGANGAN GENERATOR INDUKSI SATU FASA

## M. Saleh Al Amin
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas PGRI Palembang * Corresponding author, e-mail: saleh.pgri@gmail.com
Abstrak-- Generator  merupakan  mesin  listrik  untuk  mengubah  energi  mekanik  menjadi  energi  listrik dengan  cara  induksi  elektromagnet.  Generator  digunakan  sebagai  pembangkitan  energi  listrik  yang melayani suatu beban listrik.    Pada  zaman  modern  sekarang  ini  Energi  Listrik  sangat  dibutuhkan, kebutuhan  akan  energi  listrik  cenderung  meningkat  setiap  tahun  karena  semakin  banyaknya  kebutuhan pelayan  beban  yang  memerlukan  energi  listrik  untuk  menunjang  aktifitas  hidup  masyarakat  sehari-hari, kebutuhan  industri  dan  komersial.  Munculnya  berbagai  industri  dengan  berbagai  skalanya  merupakan faktor  penting  yang  menjadikan  kebutuhan  energi  listrik  semakin  melonjak.  Untuk  memenuhi  semua kebutuhan tersebut maka dirancang dan dibuatlah pembangkit guna menghasilkan energi listrik tersebut. Dari  beberapa  jenis  pembangkit  listrik  yang  digunakan  pada  saat  sekarang  ini,  generator  induksi merupakan  jenis  pembangkit  yang  baru  dikembangkan  sebagai  generator  pembangkit,  walaupun  masih dalam  kapasitas  yang  terbatas.  Proses  pembangkitan  tegangan  pada  generator  induksi  ini  agak  berbeda dengan  generator  sinkron  maupun  generator  arus  searah,  karena  menggunakan  komponen  elektronik berupa kapasitor sebagai eksitasi generator. Dengan demikian kapasitor dalam generator induksi memiliki peranan yang sangat penting.
Kata kunci : Pembangkitan tegangan, eksitasi, kapasitor.
Abstrack --  A  generator  is  an  electric  machine  to  convert  mechanical  energy  into  electrical  energy  by electromagnetic  induction.  The  generator  is  used  as  the  generation  of  electrical  energy  used  to  fill electricity.  In  today's  modern  era,  Electricity  Energy  is  needed,  energy  needs  will  increase  every  year, increasing demand for servants of energy needed to support the provision of everyday life, industrial and commercial  needs.  The  emergence  of  various  industries  with  various  scales  is  an  important  factor  that requires increased electricity. To meet all these needs, it is designed and made to produce electricity. The several  types  of  power  plants  that  are  used  at  present,  generators  produce  a  type  of  generator  that  is developed  as  a  generator,  based  on  still  in  a  limited  capacity.  the  voltage  generation  process  in  this generator  is  somewhat  different  from  a  synchronous  generator  or  direct  current  generator,  because  it uses electronic components to be capacitors as generator excitation. Thus the capacitor in the generator has a very important role.
Keywords: Generator voltage, excitation, capacitor .

## PENDAHULUAN
Bila  kita  memutar  bagian  rotor  mesin  induksi  dengan  energi  mekanik  maka  akan  terbangkit tegangan di sisi statornya. Tetapi tegangan tersebut tidaklah sebesar name plate yang tertera, karena mesin induksi bermasalah terhadap penguatan medan magnet atau yang dikenal sebagai eksitasi.
Menurut  Zuhal  [6]  tegangan  induksi  berbanding  lurus  terhadap  fluksi  magnet  dimana  pada generator  induksi  fluksi  magnet  sebagai  eksitasinya  sangat  kecil  sekali,  hanya  terjadi  karena remanensi  magnet  saja.  Sehingga  tegangan  induksi  yang  dihasilkan  hanya  sekitar  25%  saja  dari tegangan  nominalnya.  Maka  dari  itu  generator  induksi  ini  tidak  pernah  digunakan  untuk  keperluan komersial.
Untuk mengatasi masalah eksitasi tersebut, maka digunakanlah sistem eksitasi generator induksi dengan menggunakan kapasitor non polar.

## TINJAUAN PUSTAKA

## Terjadinya Pembangkitan Tegangan.
Menurut Zuhal dalam bukunya “Dasar Tenaga Listrik”, 1991, kerja generator induksi dilukiskan pada gambar 1, yaitu hubungan antara Slip dan Torsi mesin induksi.
-1 T 0 -1,0 1,0 - + S Motor Generator

## Gambar 1.  Daerah kerja mesin induksi.
Tetapi  dengan  kemajuan  teknologi,  pembangkitan  tegangan  listrik  yang  menggunakan  sistem induksi ini dikembangkan dengan membuat kumparan eksitasi disisi stator yang disuplai oleh sebuah kapasitor.
Dalam pembangkitan tegangan menurut hukum Faraday, dapat dirumuskan sebagai berikut :
e = -N dt d  ………………………………………………… (1)

## Konstruksi Generator Induksi
Pada umumnya sebuah generator induksi sama seperti generator sinkron, mempunyai stator dan rotor, yang fungsinya sama, tetapi agak berbeda dalam konstruksinya.

## 1. Stator
Sama  seperti  pada  generator  sinkron,  jumlah  lilitan  generator  induksi  ini  juga  terdiri  dari  dua buah kumparan, yaitu :

## a.  Kumparan Daya
Yaitu kumparan tempat terbangkitnya tegangan untuk melayani  bebannya.

## b.  Kumparan Eksitasi
Yaitu  kumparan  yang  disuplai  dengan  sebuah  kapasitor,  dimana  kapasitor,  tersebut  berfungsi menghubung  singkat  kumparan  eksitasi  tersebut.      Konstruksi  kumparan  stator  menurut  hasil pembongkaran generator induksi di lapangan, dilukiskan pada gambar berikut :

## 2. Rotor
Rotor  adalah  bagian  yang  berputar,  dimana  rotor  ini  dibuat  bentuknya  sama  seperti  konstruksi rotor generator sinkron, yaitu membentuk sepatu kutub seperti dilukiskan pada gambar berikut :
Gambar  3.  Bentuk Rotor
Pada  rotor  tersebut  ditempatkan  kumparan  rotor  sebagai  pembangkit  medan  magnet  sebagai pembangkit  tegangan  di  stator.  Kumparan  rotor  untuk  generator  jenis  ini  dihubung  singkat  dengan menggunakan resistansi (R), untuk mengurangi arus yang mengalir pada kumparan agar tidak terlalu besar. Bentuk kumparan rotor adalah sebagai berikut :

## Gambar  4.  Konstruksi kumparan rotor

## Prinsip Kerja Generator Induksi
Bila rotor diputar dengan penggerak mula, dimana pada rotor masih terdapat remanensi magnet, maka  akan  dapat  membangkitkan  tegangan  induksi  di  sisi  stator.  Karena  adanya  tegangan  induksi tersebut, kapasitor di kumparan  eksitasi akan mengisi sampai penuh, kemudian membuang muatan ke kumparan eksitasi, sehingga akan terjadi aliran arus, yang kemudian diinduksikan ke kumparan rotor, dan mengakibatkan terjadinya tegangan induksi di kumparan rotor. Pada kumparan rotor akan timbul ggl induksi yang semakin besar, sehingga menginduksikan tegangan di kumparan daya stator.
Fluksi medan semakin bertambah besar, karena kapasitor selalu  mengisi dan membuang seiring dengan fluktuasi tegangan sinusoidal di stator dan rotor.  Pembangkitan tegangan induksi di kumparan daya akan semakin besar, sehingga suatu saat akan dicapai tegangan nominal. Setelah tegangan pada kumparan daya nominal, maka generator telah siap mensuplai daya ke beban.

## Rangkaian Ekivalen Generator Induksi
Generator induksi mempunyai 3 buah kumparan, yaitu :
1. Kumparan Utama
2. Kumparan rotor
3. Kumparan eksiter di stator
Kumparan tersebut mempunyai fungsi masing – masing, yaitu :

## 1.  Kumparan Utama
Berfungsi membangkitkan tegangan di sisi stator untuk menyalurkan daya ke beban.

## 2.  Kumparan rotor
Berfungsi membangkitkan fluksi medan, untuk membangkitkan tegangan di kumparan utama.

## 3.  Kumparan eksiter di stator
Berfungsi menimbulkan fluksi pertama untuk membangkitkan tegangan induksi di rotor.
Dari kumparan – kumparan tersebut dapat dilukiskan rangkaian ekivalen nya sebagai berikut :
Gambar 5. Rangkaian ekivalen Generator Induksi.
Keterangan gambar :
Ra   :   Resistansi Jangkar. Xa   :   Reaktansi Jangkar. ea    :   Tegangan yang di bangkitkan di jangkar. e r :   Tegangan Induksi di rotor.
Rf1  :   Tahanan kumparan eksitasi dari rotor. Rf2  :   Tahanan kumparan eksitasi dari stator.
If1 :   Arus eksitasi rotor.
If2 :   Arus eksitasi dari kapasitor.

## Kapasitor sebagai Eksitasi Generator Induksi
Generator  induksi  jenis  ini  seperti  telah  digambarkan  pada  gambar  5.  rangkaian  ekivalent generator  induksi,  kapasitor  merupakan  komponen  listrik  yang  berfungsi  sebagai  eksiter  setelah adanya  remanensi  magnet  pada  inti  besi.  Kapasitor  dapat  menyimpan  energi  listrik  di  antara  pelat sejajarnya  dan  mengeluarkannya  kembali  ke  sumbernya  secara  periodik,  atau  biasa  disebut  sebagai sebagai pengisian atau charge, dan pembuangan muatan atau discharge.  Menurut Margareth R. Taber, dalam  bukunya  ”Electric  Circuiy  Analisys”,  hubungan  antara  kapasitas  kapasitor,  tegangan  sumber dan besarnya muatan yang disimpan oleh kapasitor diberikan pada persamaan berikut.
C   = V Q ...................................................................................  (2)
dimana :
C  =  Kapasitas dari kapasitor (Farad).
Q  =  Muatan kapasitor (Coulomb). V  =  Tegangan sumber (volt).
Dari persamaan (2) tersebut, maka diperoleh besarnya muatan kapasitor yang tersimpan, yaitu :
Q   =   C . V   ................................................................................  (3)
Muatan  Q  tersebut  disimpan  diantara  plat  sejajar  di  dalam  kapasitor  yang  diberi  tegangan, seperti pada gambar berikut.
+ - V d A
Gambar 6.   Prinsip penyimpanan muatan kapasitor.
Keterangan gambar 6 :
V  =  Tegangan sumber (volt).
A  =  Luas penampang pelat (meter 2 ). d  =  Jarak antara kedua pelat (meter).
Dari gambar 6 tersebut, maka diperoleh besarnya kapasitas kapasitir adalah :
C  = d K A ). 10 ( . ). 85 , 8 ( 6 μF   ...................................................................   (4)
Dimana :
K  =  Konstanta dielektrik material antara kedua pelat sejajar.

## Charge dan Discharge Kapasitor.
Dalam  suatu  rangkaian  elektrik,  bila  kapasitor  dipasang  sebagai  beban,  Menurut  Margareth  R. Taber, dalam bukunya ”Electric Circuiy Analisys”, maka besarnya muatan yang terisi pada kapasitor tersebut adalah :
Gambar 7.   Rangkaian dengan beban berupa kapasitor.
Dari gambar di atas diperoleh hubungan sebagai berikut :
Q   =   i  . t       ...................................................................................   (5)
Bila persamaan tersebut disubstitusikan ke persamaan (3), maka akan diperoleh persamaan berikut : i . t   =   C . V        .............................................................................   (6)
Waktu pengisian kapasitor adalah :
+ - V C i
t = i V C . .................................................................................    (7)
Pada  saat  terjadi  pembuangan  isi  dari  kapasitor,  maka  peranan  beban  dari  kapasitor  tersebut sangatlah  berpengaruh.    Untuk  hal  tersebut,  sebagai  beban  kapasitor  adalah  resistansi  beban  sistem penyearah.    Untuk  suatu  rangkaian  pengujian,  sebuah  rangkaian  dengan  sebuah  resistor  dan  sebuah kapasitor sebagai berikut :
Gambar 8.   Rangkaian seri RC.
Dari rangkaian  pada  gambar  8.  di  atas,  maka  akan  terdapat time  constant atau  konstanta  waktu untuk pembuangan muatan kapasitor adalah :
σ    =   R.C     ..................................................................................   (8)
Dimana :
σ  =  konstanta waktu (detik).
R  =  Resistansi sebagai beban kapasitor.
Pada  saat  terjadi  discharge  kapasitor,  resistansi  R  akan  berubah  menjadi  beban  dari  kapasitor, sehingga  akan  terjadi  konstanta  waktu  (σ),  kapasitor  akan  berperan  sebagai  sumber  tegangan, sehingga menurut Hukum Ohm, akan berlaku persamaan berikut :
i   = R V C ....................................................................................   (9)
Dimana :
i    =   arus pembuangan muatan (ampere).
V C =   Tegangan kapasitor (volt).
R  =  Resistansi beban kapasitor (Ω).
Besarnya  tegangan  kapasitor  pada  saat  discharge  akan  menurun  terus  seiring  dengan berkurangnya muatan kapasitor tersebut, sehingga besarnya tegangan kapasitor saat terjadi discharge adalah :
V C = ) .( X e E  ...........................................................................   (10)
Dimana :
E  =  Tegangan saat pengisian kapasitor (volt). x  =  nomor unit konstanta waktu.
x  =  t
t =  waktu nyata sebelumnya (detik).
C i R V
Discharge  kapasitor  akan  terjadi  bila  tegangan  kapasitor  lebih  besar  dari  tegangan  sumbernya. Hal ini terjadi pada saat peralihan puncak tegangan ke titik nol. Waktu discharge kapasitor ini tidak lebih dari 90 0 listrik, atau tidak lebih dari 0,005 detik, seperti pada gambar berikut :
Pengisian Pelepasan V 0 t 2    2
Gambar 9.  Kurva charge dan discharge kapasitor.
Pada  generator  induksi  kapasitor  dipasang  diseri  dengan  kumparan  eksiter  di  sisi  stator, sehingga  pada  saat  terjadi  pembangkitan  tegangan  pada  kumparan  eksiter  tersebut,  kapasitor  akan mengalami  charge.    Pada  periode  selanjutnya  kapasitor  akan  discharge  muatannya  ke  kumparan eksiter  kembali  sehingga  akan  terjadi  tegangan  induksi  pada  kumparan  eksiter  tersebut,  yang  akan menghasilkan fluksi magnet sebagai penguatan medan magnet di sisi rotor.
Arus charge kapasitor tersebut dapat diatur dengan menggunakan resistansi variabel pada sisi stator seperti pada gambar berikut :
C i V V R
Gambar 10.  Peranan V R dalam pengisian kapasitor.
Dari  persamaan  (6),  arus  (i)  akan  dipengaruhi  oleh  resistansi  variabel  (V R ),  sehingga  arus  charge kapasitor akan terhambat dan akan menjadi sebagai berikut :
i  = R V
Sehingga akan diperoleh :
R t =  C       .................................................................................   (11)
Pada  saat  terjadinya  discharge,  bila  resistansi  R  diubah-ubah,  maka  arus  (i)  yang  dikeluarkan  oleh kapasitor juga akan berubah-ubah.  Arus (i) ini akan menimbulkan medan magnet berupa fluksi pada rotor yang besarnya adalah :
ф  =  f f I N . ...............................................................................  (12)
Dimana :
N f =  jumlah lilitan kumparan eksitasi di rotor.
I f =  i.
Dengan  demikian,  bila  terjadi  perubahan  arus  eksitasi,  maka  fluksi  magnet  akan  berubah  pula, sehingga tegangan induksi generator akan berubah-ubah pula seperti persamaan berikut :
e =   C . n . ф     .........................................................................    (13)

## METODE PENELITIAN.
Pada penelitian  ini generator dioperasikan secara normal, arus yang mengalir pada kapasitor eksitasi  diukur  dengan  menggunakan  amperemeter,  dan  digunakan  resistor  variable  untuk  mengatur arus  kapasitor.  Pengujian  generator  induksi  dilakukan  dalam  keadaan  tanpa  beban  dan  berbeban. Beban yang diberikan beban berupa lampu pijar dengan kapasitas daya 100 watt.  Sama seperti saat tanpa  beban,  pada  berbeban,  arus  eksitasi  juga  diatur  dengan  menggunakan  resistor  variabel  yang dipasang  seri  dengan  kapasitor  C k ,  juga  dilakukan  pengukuran  tegangan,  arus  eksitasi  dan  putaran generator.

## Sample Generator Induksi
Dalam penelitian ini digunakan generator induksi satu fasa sebagai berikut :
-  Tegangan :  220 volt -  Daya :  450 watt -  Frekwensi :  50 Hz -  Putaran :  3000 rpm -  Eksitasi :  Kapasitor -  Merek : Matrix
Sedangkan motor penggeraknya adalah Motor Induksi satu fasa sebagai berikut :
-  Daya :  1 HP -  Tegangan :  220 volt -  Frekwensi :  50 Hz -  Putaran :  1500 rpm -  Merek :  Elindo
Antara  Generator  induksi  dan  motor  penggeraknya  digunakan  kopling  berupa  belt  dengan perbandingan puley 2 : 1.

## HASIL DAN PEMBAHASAN.
Hasil pengujian dalam penelitian ini diberikan pada tabel 1 dan tabel 2.

## Tabel 1. Generator induksi tanpa beban
No V out (volt) V eks (volt) I eks (amp) n (rpm) 1 219 240 0,90 3000 2 220 240 0,85 3000 3 221 240 0,87 2980 4 220 240 0,87 2990 5 220 240 0,85 3000

## Tabel 2. Generator induksi berbeban
No Beban (watt) V out (volt) V eks (volt) I eks (amp) n (rpm) 1 100 220 240 1,60 3000 2 100 200 240 1,45 2990 3 100 185 240 1,30 2995 4 100 160 240 1,20 3000 5 100 140 240 1,00 2995
Dari hasil perhitungan diberikan pada tabel 3 :
Tabel 3.  Hasil Perhitungan Untuk Generator Induksi berbeban.
No V out (volt) Pn I eks (amp) ф (weber) n (rpm) C (μF) 1 220 1,60 0,0138039 3000 33,3 2 200 1,45 0,0125098 2990 30,2 3 185 1,30 0,0112156 2995 27,1 4 160 1,20 0,0103529 3000 25,0 5 140 1,00 0,0086275 2995 20,8
Dari  tabel  3  tersebut  dapat  dilihat  bahwa  dengan  penurunan  arus  eksitasi,  maka  akan mengakibatkan  penurunan  fluksi  pada  penguatan  medan,  dan  juga  penurunan  tegangan  keluaran generator, sehingga kapasitas kapasitor yang terisi juga akan menurun.

## KESIMPULAN.
1.  Penurunan  arus  eksitasi  generator  induksi,  akan  mengakibatkan  penurunan  fluksi  medan, kapasitas pengisian kapasitor, dan tegangan induksi generator.
2.  Dengan demikian kapasitas kapasitor mempunyai peranan yang sangat besar dalam pembangkitan tegangan pada generator induksi jenis eksitasi kapasitor.

## DAFTAR PUSTAKA.
[1]   Kostenko.M & Pitrovsky.L “Electical Machines”. Mir Publisher, Moscow, 1977.
[2]    Langsdorf.  Alexander.  S  “Theory  of  Alternating  Current  Machinery”.    TMH  Edition,  Tata  Mc. Graw Hill. New Delhi. India. 1960.
[3]   Margareth. L. Taber “Elecric Circuit Analisys” ……., 1960.
[4]   Siskind. “Electrical Machines”. 2 nd Edition. Mc Graw Hill. Tokyo. 1983.
[5]   S.K. Sen. “Rotating Elecrical Machinery”. Khana Publisher, New Delhi, 1976.
[6]   Zuhal. “Dasar Tenaga Listrik.” Penerbit ITB, Bandung, 1991.