Leontius Dwi Mesantono 1, Fransisco Danang Wijaya 2, Muhammad Isnaeni B.S. 3. Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi

Transkripsi

1 Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi STUDI PERBANDINGAN GENERATOR SINKRON FLUKS AKSIAL MAGNET PERMANEN TANPA INTI BESI DAN DENGAN INTI BESI PADA PUTARAN RENDAH DAN PERBANDINGAN BENTUK BELITAN PADA STATOR Leontius Dwi Mesantono 1, Fransisco Danang Wijaya 2, Muhammad Isnaeni B.S. 3 Abstract Indonesia is the emerald of the equator nation, where there are lots of natural resources, including renewable energy resources, i.e. wind. This research tries to solve the utilization of renewable energy by developing small-size power plants by using permanent magnet NdFeB (Neodymium Boron Ferrite) that can be used to generate electricity in the future can be utilized as an alternative energy source by using wind energy or micro hydro energy or also known as distributed generation. There are parameters to be tested, i.e. Comparing the performance of circular windings stator and performance of hexagonal windings coreless stator, then conducted performance testing hexagonal windings coreless stator and compare with hexagonal windings by adding internal iron core. The results of the tests are obtained by comparing circular windings and hexagonal windings, and obtained some data that shows the power capacity of hexagonal windings is higher than circular windings. On the performance test of the hexagonal windings coreless stator with hexagonal windings iron cored stator are obtained some data that shows the power capacity of hexagonal windings iron cored stator is higher than coreless hexagonal windings stator, but iron cored hexagonal windings stator have more losses than coreless hexagonal windings stator because of eddy current and hysteresis current. Intisari Indonesia merupakan negeri zamrud khatulistiwa, dimana terdapat banyak sumber daya alam yang berlimpah termasuk energi terbarukan seperti angin. Penelitian dilaksanakan untuk menyelesaikan masalah pemanfaatan energi terbarukan dengan mengembangkan pembangkit listrik ukuran kecil dengan menggunakan magnet permanen NdFeB (Neodymium Ferrite Boron) yang dapat digunakan untuk menghasilkan listrik yang dikemudian hari dapat 1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jl.Kayangan Gg.Pepaya no.2, Duri, Riau (tlp: ; leontius_te09@ugm.ac.id) 2, 3 Dosen,Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jln.Grafika no.2, Yogyakarta INDONESIA (telp: ;fax: ; fdwijaya2000@gmail.com,isnaeni.jte@gmail.com) dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif dengan memanfaatkan energi angin atau mikrohidro atau disebut juga pembangkit terdistribusi. Terdapat parameter yang akan diuji, yakni membandingkan unjuk kerja generator dengan belitan lingkaran tanpa inti terhadap unjuk kerja generator dengan belitan segi enam tanpa inti, kemudian dilakukan pengujian unjuk kerja belitan segi enam tanpa inti dengan belitan segi enam dengan penambahan inti pada belitan stator. Dari hasil pengujian, diperoleh data unjuk kerja generator belitan lingkaran tanpa inti terhadap belitan segi enam tanpa inti dengan mendapatkan data kapasitas daya belitan segi enam dan tegangan belitan segi enam yang lebih besar dibanding belitan lingkaran. Pada pengujian belitan stator segi enam tanpa inti dan dengan inti diperoleh hasil dengan kapasitas daya pada generator dengan inti lebih besar dibanding belitan stator segi enam tanpa inti dengan rugi daya yang semakin besar pula akibat arus eddy dan arus histerisis. Kata Kunci generator sinkron, fluks aksial, belitan stator, inti besi, perbandingan. I. PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara zamrud khatulistiwa, dimana banyak potensi energi baru terbarukan yang berasal dari alam Indonesia. Air, sumber daya alam ini tidak akan ada habisnya, dan mengalir deras dari hulu ke hilir bahkan hingga bermuara ke lautan lepas. Panas bumi, pegunungan, dan dataran tinggi di Indonesia jumlahnya banyak, dan potensi sumur panas bumi, dan sungai bawah tanah indonesia cukup tinggi seperti Gunung Sibayak (Sumut), Dieng (Jateng), Garut ( Jabar), dan lain sebagainya. Panas matahari, negara indonesia merupakan negara tropis yang terletak pada 0 derajat LU-LS. Oleh karena itu, penggunaan energi tersebut juga menjadi salah satu alternatif energi baru dan terbarukan. Potensi angin di Indonesia cukup rendah dengan kecepatan angin 4m/detik hingga 5m/detik yang mampu membangkitkan listrik kw [2]. Kecepatan angin dan aliran mikrohidro di Indonesia yang relatif kecil membutuhkan generator yang dapat bekerja dengan baik pada kecepatan rendah, generator 82

2 Artikel Reguler magnet permanen fluks aksial merupakan salah alternatif terbaik yang dapat dikopling atau bahkan dihubungkan langsung dengan turbin angin ataupun air tersebut. Karakter generator fluks aksial yang memiliki jumlah kutub magnet yang banyak, densitas daya listrik yang tinggi, masa yang ringan, pendinginan yang baik, perawatan dan konstruksi yang sederhana, serta mudah dalam meningkatkan kapasitas daya menjadi keunggulan tersendiri jika dibandingkan dengan generator radial [4]. Generator fluks aksial adalah salah satu jenis mesin listrik yang dapat membangkitkan energi listrik dengan arah aliran fluks secara aksial. Generator jenis ini terus dikembangkan dengan berbagai variasi desain agar didapat tingkat efisiensi yang tinggi untuk diimplementasikan dengan sumber daya alam yang ada[5]. II. DASAR TEORI Generator fluks aksial adalah suatu mesin yang dapat mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik yang memiliki arah aliran fluks rotor yang memotong stator secara tegak lurus atau aksial. A. Rangkaian Ekivalen Generator Pada keadaan tanpa beban seperti pada Gbr 1, tegangan keluaran dari generator hanya merupakan tegangan hasil induksi magnet permanen terhadap kumparan pada stator generator dengan E a= V. R a dan X L, merupakan besar hambatan dan reaktansi pada generator. Parameter tersebut akan mempengaruhi tegangan keluaran generator ketika berbeban. Tegangan keluaran generator akan dirumuskan pada (4) sebagai berikut: Ea V I. Ra ji. X L (4) Dengan, Ea = tegangan keluaran tanpa beban V = tegangan terminal Ra = resistansi jangkar X L = reaktansi induktif [3] 2) Efisiensi Generator : Efisiensi generator merupakan hubungan antara daya output dengan daya input suatu generator. Nilai efisiensi tidak akan melebihi dari nilai 100%, bahkan sangat jarang ditemukan generator yang memiliki efisiensi daya mencapai 100%.. Pada dasarnya dalam suatu konversi energi, khususnya pada generator, konversi energi terjadi dari mekanis menjadi elektris yang memiliki rugi-rugi. Efisiensi dapat dirumuskan pada (6)[3]: Poutput % x100% P input P P P input output loss (6) (7) 3) Total Harmonic Distortion : Total Harmonic Distortion (THD) merupakan nilai persentase antara total komponen harmonisa dengan komponen fundamentalnya. Semakin besar persentase THD ini, menyebabkan semakin besarnya resiko kerusakan peralatan akibat harmonisa yang terjadi pada arus ataupun tegangan. Untuk mencari nilai THD dari tegangan dapat digunakan (8) berikut: Dengan, THDv = Total Harmonic Distortion (%) V 1 = Tegangan Fundamental V n = Tegangan Harmonisa ke-n [1] III. METODOLOGI PENELITIAN A. Diagram Alir Penelitian Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gbr 2 seperti berikut : Mulai Persiapan dan perangkaian alat uji (8) Perbandingan belitan stator lingkaran tanpa inti dan belitan stator segi enam tanpa inti Perbandingan stator tanpa inti dan generator dengan inti Pengujian Gbr 1. Rangkaian ekivalen generator dan sudut fasor generator B. Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator 1) Regulasi Tegangan : Regulasi tegangan adalah persentase perubahan tegangan terminal antara kondisi pada saat tanpa beban dengan kondisi saat berbeban penuh, dan dapat dinyatakan dengan (5) : (5) Pengujian Beban Nol Frekuensi Konstan Pengumpulan data Pengolaha n dan analisis data Pembuatan laporan pengujian Pengujian Berbeban Penggerak mula konstan Dengan, V nl = tegangan tanpa beban (Volt) V fl = tegangan berbeban penuh (Volt) [3] Selesai Gbr 2. Diagram alir pengujian generator sinkron fluks aksial magnet permanen 83

3 Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi B. Pengujian 1) Pengujian Beban Nol: Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik tegangan keluaran generator terhadap besarnya frekuensi listrik yang diputar oleh penggerak mula generator. Berdasarkan Tabel 2 pada lampiran, dapat diolah kedalam bentuk grafik perbandingan sebagai berikut: 2) Pengujian Beban R: Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik sebuah generator ketika terjadi pembebanan. 3) Pengujian Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator: Pengujian ini akan melihat besarnya jatuh tegangan dari hasil regulasi tegangan dan seberapa besar efisiensi yang diberikan generator ketika diberi beban. 4) Pengamatan Total Harmonic Distortion : Berdasarkan teori yang diteliti, distribusi fluks magnet pada rotor terhadap celah udara antar kumparan akan mempengaruhi besar harmonisa yang terjadi pada gelombang tegangan keluaran generator. Sehingga akan diamati harmonisa keberapa dan berapa besar tegangan harmonisa yang terjadi. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Perbandingan Belitan Stator Lingkaran Tanpa Inti Dan Belitan Stator Segi Enam Tanpa Inti 1) Pengujian Beban Nol: Pada pengujian ini akan disajikan tabel dan grafik perbandingan belitan stator lingkaran terhadap belitan stator segi enam. Berdasarkan Tabel 1 pada lampiran, dapat disajikan dengan grafik hasil perbandingan belitan stator segi enam terhadap belitan stator lingkaran sebagai berikut: Gbr 4. Grafik perbandingan belitan stator lingkaran dan segi enampada pengujian beban dengan penggerak mula 50Hz Berdasarkan Gbr 4, terlihat bahwa belitan stator segi enam memiliki kapasitas daya yang lebih besar dibanding dengan belitan stator lingkaran, karena di dalam belitan stator segi enam memiliki panjang kawat lilitan yang lebih panjang, sehingga menyebabkan semakin besarnya hambatan pada kumparan stator. Dari besarnya hambatan tersebut menyebabkan jatuh tegangan yang lebih besar dibanding belitan stator lingkaran. B. Perbandingan Generator Belitan Stator Segi Enam Tanpa Inti, dan Dengan Inti 1) Pengujian Beban Nol : Pada pengujian ini, akan membandingkan generator dengan belitan stator segi enam yang tanpa inti dan dengan menggunakan inti. Data akan disajikan dalam bentuk grafik dan tabel seperti berikut : Berdasarkan Tabel 1, dan Tabel 3 lampiran, perbandingan generator belitan stator segi enam tanpa inti dan menggunakan inti dapat dilihat pada grafik sebagai berikut: Gbr 3. Grafik perbandingan tegangan keluaran terhadap frekuensistator belitan lingkaran dan belitan segi enam Berdasarkan Gbr 3, data generator dengan belitan stator segi enam tampak lebih baik dalam menyalurkan tegangan dibandingkan belitan stator lingkaran. Hal ini disebabkan oleh sudut yang diberikan oleh segi enam, sehingga menyebabkan fluks magnet memotong kawasan aktif belitan stator. 2) Pengujian Berbeban : Pada pengujian ini akan membandingkan kedua tipe belitan stator pada keadaan berbeban dengan penggerak mula konstan, grafik dan tabel akan disajikan sebagai berikut: Gbr 5. Grafik perbandingan generator belitan segi enam tanpa inti dan dengan inti pada pengujian beban nol 2) Pengujian Berbeban : Pada pengujian ini, akan membandingkan generator dengan belitan stator segi enam tanpa inti dan dengan inti pada penggerak mula tetap di 50Hz. Berdasarkan Tabel 2, dan Tabel 4 pada lampiran, dapat digambarkan grafik perbandingan 84

4 Artikel Reguler belitan stator tanpa inti terhadap belitan stator dengan menggunakan inti sebagai berikut: Gbr 6. Grafik perbandingan daya keluaran generator tanpa inti dan dengan inti pada penggerak mula tetap 50Hz Berdasarkan Gbr 6, daya keluaran generator dengan menggunakan inti lebih besar dibanding daya keluaran generator tanpa inti. Hal ini disebabkan oleh adanya arus eddy, dan arus histerisis yang menyebabkan rugi daya bertambah dibanding generator tanpa inti yang hanya memiliki rugi daya pada kumparan saja. C. Pengujian Regulasi Tegangan dan Efisiensi Generator 1) Regulasi Tegangan : Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik generator tanpa inti dan dengan inti ketika dibebani hingga beban penuh. Berikut data yang diperoleh dan diperoleh menjadi sebuah grafik : Berdasarkan Gbr 8, terlihat bahwa generator dengan inti besi di dalamnya tidak lebih efisien dibanding generator tanpa inti. Hal ini disebabkan oleh adanya arus eddy yang menyebabkan cogging torque pada mekanikalnya. Namun, generator dengan inti besi akan lebih efisien ketika berada pada kecepatan putar yang tinggi, karena inersia yang disebabkan oleh cogging torque tidak sebesar ketika pada kecepatan putar yang rendah. D. Total Harmonic Distortion Pada pengujian ini akan membandingkan besaran THD V pada sebuah generator tanpa inti dan dengan inti. Besaran tersebut akan menentukan seberapa besar harmonisa yang terjadi akibat distribusi fluks magnet terhadap kumparan stator generator. Gambar gelombang tegangan keluaran pada generator dengan frekuensi 50Hz dapat dilihat pada Gbr 9, dan Gbr 10 seperti berikut : Gbr 9. Gelombang tegangan keluaran generator tanpa inti Gbr 7. Grafik regulasi tegangan antara generator tanpa inti dan dengan inti pada frekuensi 50Hz dengan pengujian frekuensi tetap 2) Efisiensi Generator : Pada pengujian ini, akan dilihat generator tipe apa yang menjadi generator paling efisien dalam kapasitas daya, ataupun aliran dayanya. Berdasarkan Tabel 5 pada lampiran, dapat digambarkan grafik perbandingan dari kedua tipe generator tersebut seperti berikut : Gbr 10. Gelombang tegangan keluaran generator dengan inti Berdasarkan Gbr 9, dan Gbr 10, terdapat harmonisa pada gelombang keluaran kedua tipe generator. Hal ini disebabkan oleh pendistribusian fluks yang terjadi pada kumparan stator. Namun, pada Gbr 10, harmonisa yang terjadi lebih kecil daripada Gbr 9, dimana Gbr 10 merupakan generator dengan inti besi di dalam stator. Hal ini dapat dibuktikan dengan hasil perhitungan dari simulasi, terdapat pada tabel seperti berikut : TABEL 6 Tabel THD V pada generator tanpa inti dan generator dengan inti Tipe Tegan ganr- N (V) Tegan gan S- N (V) Tegan gan T- N (V) THDV R (%) THDV S (%) THDV T (%) Tanpa Inti Inti Berdasarkan Tabel 6, harmonisa yang lebih kecil terjadi pada generator yang menggunakan inti besi didalamnya. Hal ini terjadi karena distribusi fluks terfokus pada inti besi, dibandingkan generator tanpa inti yang pendistribusian fluksnya menyebar. Gbr 8. Grafik perbandingan efisiensi generator tanpa inti dan dengan inti pada pengujian frekuensi konstan 50Hz 85

5 Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi V. KESIMPULAN Setelah melakukan pengujian terhadap generator sinkron magnet permanen fluks aksial putaran rendah dengan penambahan inti dan penggantian bentuk belitan stator, maka dapat diambil kesimpulan diantaranya : 1. Pada pengujian beban nol: Belitan stator segi enam memiliki tegangan keluaran yang lebih baik dibanding belitan stator lingkaran. Belitan stator segi enam tanpa inti memiliki tegangan yang lebih baik dari belitan stator segi enam dengan inti. 2. Pada pengujian berbeban resistif : Belitan stator segi enam tanpa inti memiliki kapasitas daya yang lebih besar dibanding belitan stator lingkaran. Namun, belitan stator dengan inti mempunyai kapasitas daya yang lebih tinggi. 3. Jatuh tegangan pada belitan stator segi enam tanpa inti lebih besar dibanding belitan stator lingkaran. Jatuh tegangan pada belitan stator segi enam dengan inti jauh lebih tinggi akibat adanya rugi daya arus eddy dan arus histerisis yang ditimbulkan oleh inti besi. Rugi daya yang ditimbulkan oleh belitan stator adalah rugi kawat, dan rugi pada inti. 4. THD V belitan stator segi enam sama dengan belitan stator lingkaran, namun terdapat perbedaan adanya ripple akibat terdapatnya sudut perpotongan fluks pada belitan stator segi enam. Namun, belitan segi enam dengan inti memiliki THD V yang lebih kecil. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih kepada dosen pembimbing pertama Bapak Danang, dan dosen pembimbing kedua Bapak Isnaeni yang telah meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam pengerjaan tugas akhir ini. Terimakasih kepada keluarga teman seperjuangan dan narasumber yang memberikan bantuan secara tidak langsung kepada penulis. REFERENSI [1] Irasari, P., & Fitriana. (2009). Pengaruh Harmonik Terhadap Tegangan Keluaran Prototip Generator Magnet Permanen Kecepatan Rendah. Teknologi Indonesia, 1-6. [2] LIPI. (2012). Pengembangan Energi Angin Memungkinkan. diakses September 15, [3] Nasar, S. A., & Unnewehr, L. E. (1979). Electromechanics and Electric Machines. New York: John Wiley & Sons, Inc. [4] Nilendra, B. M. (2012). Analisa Perbandingan Desain dan Simulasi Generator Fluks Aksial Magnet Permanen 3 Fasa Untuk Aplikasi Generator Angin Kecepatan Rendah. Skripsi S-1, Universitas Indonesia, Jurusan Teknik Elektro, Jakarta. [5] Nugroho, R. A. (2013). Perancangan Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Aksial Putaran Rendah. Skripsi S-1, Universitas Gadjah Mada, Jurusan Teknik Elektro dan Teknolgi Informasi Fakultas Teknik, Yogyakarta. LAMPIRAN TABEL 1 TABEL TEGANGAN KELUARAN GENERATOR TERHADAP FREKUENSI ELEKTRIS GENERATOR PADA BELITAN STATOR LINGKARAN DAN BELITAN STATOR SEGI ENAM Frekue nsi (Hz) Tegangan (V) Lingkaran Frekue nsi Tegangan (V) Segi enam tanpa inti R-N S-N T-N (Hz) R-N S-N T-N TABEL 2 TABEL PERBANDINGAN DAYA TERHADAP FREKUENSI PADA PENGUJIAN PENGGERAK MULA KONSTAN 50HZ Freq. (Hz) Daya (W) Segi enam tanpa inti Freq. Daya (W) Lingkaran (Hz) R S T R S T TABEL 3 TABEL KELUARAN GENERATOR TERHADAP FREKUENSI ELEKTRIS PADA BELITAN STATOR SEGI ENAM MENGGUNAKAN INTI Frekuensi Tegangan (V) Segi enam inti (Hz) R-N S-N T-N

6 Artikel Reguler TABEL 4 TABEL DAYA KELUARAN GENERATOR SEGI ENAM DENGAN INTI PADA FREKUENSI 50HZ DENGAN PENGGERAK MULA TETAP Freq. (Hz) Daya (W) segi enam inti R S T TABEL 5 TABEL DAYA MASUKAN, DAYA KELUARAN DAN EFISIENSI PADA GENERATOR TANPA INTI DAN DENGAN INTI PADA PENGUJIAN FREKUENSI KONSTAN 50HZ Segi Enam Tanpa Inti Pin Pout Eff 3ph 3ph 3ph (W) (W) (%) Segi Enam Dengan Inti Pin Pout Eff 3ph 3ph 3ph (W) (W) (%)