RANCANG BANGUN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL TIGA FASE BERDAYA KECIL

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL TIGA FASE BERDAYA KECIL Agus Supardi 1*, Rahajeng Hafidz Bastian 2 1,2 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1, Pabelan, Kartasura, Surakarta, Jawa Tengah * Agus.Supardi@ums.ac.id Abstrak Generator merupakan salah satu peralatan penting dalam sistem pembangkit listrik. Pada sistem pembangkit tenaga angin atau air, seringkali dijumpai kecepatan putar yang rendah dari penggerak mulanya. Generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah satu alternatif pilihan yang dapat digunakan pada sistem pembangkit tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan membuat sebuah prototipe generator magnet permanen dengan tipe fluks aksial berfase tiga. Rotor dan stator didesain dengan mempertimbangkan jumlah magnet permanen dan jumlah lilitannya. Keluaran generator dihubungkan dengan trafo penaik tegangan agar dapat mendekati rating tegangan PLN. Pengujian dilakukan dalam kondisi berbeban dan tidak berbeban. Pengujian tanpa beban dilakukan dengan memvariasi kecepatan putar generator. Pengujian berbeban dilakukan dengan memvariasi daya beban yang berupa lampu LHE dan lampu pijar serta mempertahankan kecepatan putar generator agar tidak berubah. Hasil pengujian tanpa beban menunjukkan bahwa semakin tinggi kecepatan putar generator maka semakin tinggi tegangannya. Variasi kecepatan putar dari rpm mengakibatkan tegangan fase ke netral generator bervariasi dari 3 28 volt. Hasil pengujian dalam kondisi berbeban menunjukkan bahwa semakin besar beban generator maka semakin kecil tegangannya. Pembebanan dengan lampu LED 2 9 watt mengakibatkan tegangan fase ke netral generator turun dari 28 12,5 volt. Pembebanan dengan lampu pijar dari watt mengakibatkan tegangan fase ke netral generator turun dari 8-2,7 volt. Kata kunci : Fluks aksial, Generator, Magnet permanen, Tiga fase 1. PENDAHULUAN Kondisi geografis Indonesia yang berupa negara kepulauan menyebabkan tingkat persebaran penduduknya menjadi tidak merata sehingga berdampak juga terhadap pemerataan distribusi tenaga listrik. Pada awal tahun 2016, Kementerian Energi dan Sumber Daya (ESDM) melaporkan bahwa masih ada desa di Indonesia yang belum menikmati listrik ( 3 Februari 2016). Seringkali di daerah daerah yang belum terelektrifikasi tersebut tersedia potensi tenaga air yang dapat digunakan untuk membangkitkan listrik. Untuk mengembangkan sistem pembangkit listrik di daerah tersebut, tuntutan utamanya adalah bagaimana membuat sistemnya sederhana, mudah perawatannya dan bisa dioperasikan oleh masyarakat di sekitarnya. Generator listrik merupakan salah satu jenis mesin listrik yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator biasanya mempunyai 2 buah belitan yaitu belitan stator dan belitan rotor. Biasanya belitan rotor merupakan belitan medan yang digunakan untuk membangkitkan maget, sedangkan belitan stator digunakan untuk membangkitkan tegangan induksi. Proses pembangkitan tegangan pada generator didasarkan pada percobaan Faraday yang menyatakan bahwa perubahan medan magnet yang memotong suatu penampang kawat akan mengakibatkan perubahan jumlah garis gaya magnetik. Perubahan jumlah garis gaya magnetik tersebut akan menimbulkan perbedaan potensial di antara ujung ujung kawatnya. Menurut Nick et al (2013), ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan sebelum membuat sebuah prototipe generator antara lain jenis generator, desain generator, dan biaya yang dibutuhkan. Menurut Price et al (2008), rotor generator fluks aksial dapat dipilih dari jenis rotor satu sisi, rotor dua sisi, rotor torus, atau rotor multi disk. Menurut Krishna dan Asharay (2013), tegangan keluaran generator akan ditentukan oleh kuat medan magnet yang memotong belitan stator. Medan magnet perlu dikonsentrasikan pada belitan stator agar dapat membangkitkan tegangan induksi yang lebih tinggi. Selain itu, jarak antara sumber medan magnet dan belitan stator juga perlu dibuat lebih dekat untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi (Marius et al, 1999). 38

2 Di dalam aplikasinya, sumber medan magnet untuk generator dapat dihasilkan dari magnet permanen atau magnet buatan. Magnet permanen secara alamiah akan menghasilkan medan magnet yang tetap. Ukuran dan jenis material yang digunakan untuk membuat magnet permanen akan menentukan kekuatan medan magnetnya. Magnet buatan merupakan magnet yang dapat dibuat dan diatur kekuatan medan magnetnya sesuai dengan keperluan. Magnet buatan akan menghasilkan magnet yang bersifat sementara saja. Magnet ini dihasilkan ketika suatu belitan dihubungkan dengan sumber listrik searah atau bolak balik. Magnitude arus yang mengalir pada belitan tersebut akan menentukan kekuatan medan magnetnya. Menurut Rovio et al (2001), salah satu alasan pemilihan magnet neodymium adalah terkait dengan kekuatan medan magnetnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan yang lainnya seperti cobalt dan alnico. Hal ini diperkuat oleh Irasari dan Idayanti (2007) yang menyatakan bahwa untuk dimensi yang sama maka magnet neodymum memiliki kuat medan yang lebih besar dibandingkan dengan magnet lainnya. Potensi sumber energi terbarukan di Indonesia seperti energi angin dan air seringkali tersedia dalam skala kecil sehingga memerlukan generator yang dapat beroperasi pada kecepatan rendah. Salah satu alternatif generator yang dapat digunakan adalah generator magnet permanen fluks aksial. Generator fluks aksial didefinisikan oleh Nugroho (2013) sebagai salah satu jenis mesin listrik yang dapat digunakan untuk membangkitkan energi listrik dengan arah aliran fluks secara aksial. Generator ini dapat langsung dihubungkan dengan turbin angin ataupun turbin air. Menurut Nilendra (2012), generator fluks aksial lebih unggul bila dibandingkan dengan generator radial karena dapat didesain agar mempunyai banyak kutub magnet sehingga kecepatan putarnya bisa lebih rendah, densitas daya listrik yang tinggi, pendinginan yang baik, ringan, mudah perawatannya, sederhana konstruksinya, serta mudah untuk menaikkan kapasitas dayanya. Kebanyakan penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya adalah generator fluks aksial 1 fase. Penelitian ini terkait dengan perancangan dan pembuatan sebuah prototipe generator fluks aksial 3 fase. Diharapkan dari penelitian dapat dihasilkan sebuah prototipe generator fluks aksial yang cocok untuk diterapkan untuk sistem pembangkit energi terbarukan. 2. METODE PENELITIAN Generator fluks aksial dirancang sedemikian rupa sehingga masing masing fasenya mempunyai 3 buah kumparan. Setiap kumparan terdiri dari 2500 buah lilitan. Lilitan tersebut berdiameter 0,5 mm. Rotor dirancang agar mempunyai dua sisi yang mengapit belitan stator. Pemilihan jenis rotor ini didasarkan dari proses pembuatannya yang lebih mudah dibanding rotor torus dan multi disk serta dapat menghasilkan keluaran yang lebih baik dibandingkan dengan rotor satu sisi. Magnet permanen yang digunakan untuk membangkitkan fluks magnetik terdiri dari 12 buah magnet neodynium yang berdimensi 50 x 15 x 6 mm. Bahan yang digunakan sebagai kerangka penopang rotor dan stator adalah acrylic. Desain kerangka acrylic dilakukan dengan menggunakan software autocad. Setelah prototipe generator selesai dibuat, selanjutnya dilakukan pengujian di laboratorium. Generator fluks aksial tersebut dikopel dengan motor listrik yang digunakan sebagai penggerak mulanya. Kecepatan putar generator diatur dengan memvariasi kecepatan putar motor listriknya. Pada setiap pengujian dilakukan pengukuran tegangan generator. Pengujian dilakukan memvariasi kecepatan putar dan beban generator. Tegangan yang diukur merupakan tegangan fase ke netral dan tegangan fase ke fase. Keterangan: 1. Stator 2. Rotor 3. Besi As 4. Kumparan 5. Bearing 6. Magnet Gambar 1. Perancangan prototipe generator fluks aksial tiga fase 39

3 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perancangan generator fluks aksial 3 fase berupa sebuah prototipe generator seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Ketiga belitan stator dihubungkan secara bintang (Y). Terdapat 4 buah kabel keluaran dari belitan stator tersebut, 3 buah digunakan sebagai kabel fase dan 1 buah digunakan sebagai kabel netral. Prototipe generator tersebut diuji di laboratorium untuk mengetahui karakteristiknya. Pengujian generator fluks aksial dalam kondisi tanpa beban dilakukan dengan mengubah-ubah kecepatan putar generator mulai dari rpm. Pemilihan variasi kecepatan ini didasarkan dari pertimbangan bahwa generator didesain untuk beroperasi dengan kecepatan rendah. Secara teoritis, jumlah kutub generator akan menentukan kecepatan putar nominalnya. Generator yang diuji didesain dengan menggunakan 12 buah magnet permanen sehingga kecepatan putar nominalnya adalah sebesar 500 rpm. Hasil pengujian generator fluks aksial dalam kondisi tanpa beban ditunjukkan pada gambar 3. Hasil pengujian menunjukkan bahwa tegangan keluaran generator fluks aksial akan berbanding lurus dengan kecepatan putarnya. Semakin tinggi kecepatan putar generator maka semakin tinggi pula tegangan generatornya. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa kecepatan putar generator akan berbanding lurus dengan tegangan generator. Kenaikan kecepatan putar akan menyebabkan medan magnet permanennya akan semakin cepat memotong kumparan stator. Dengan demikian, tegangan induksi yang dihasilkan juga menjadi semakin tinggi. Hasil pengujian menunjukkan bahwa ketika kecepatan putar generator dinaikkan 3 kali lebih cepat maka tegangan generatornya juga akan naik 3 kali lebih tinggi dari sebelumnya. Hasil pengujian juga menunjukkan adanya perbedaan nilai tegangan fase ke fase dan tegangan fase ke netral. Tegangan fase ke fase 1,88 kali lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan fase ke netral. Hasil ini mendekati teori yang menyatakan bahwa tegangan fase ke fase akan 1,73 ( 3) kali lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan fase ke netral. Perbedaan ini kemungkinan disebabkan oleh pemilihan skala alat ukur yang masih kurang akurat. Gambar 2. Prototipe generator fluks aksial tiga fase Gambar 3. Hasil pengujian generator fluks aksial dalam kondisi tanpa beban 40

4 Hasil pengujian dalam kondisi tanpa beban juga menunjukkan bahwa tegangan generator fluks aksial tersebut masih belum dapat digunakan secara langsung untuk menghidupkan peralatan listrik agar bekerja normal karena nilainya masih terlalu kecil. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan pengujian dengan menambahkan trafo penaik tegangan. Hasil pengujian pada gambar 4 menunjukkan bahwa ketika generator fluks aksial dihubungkan dengan trafo maka tegangan generator (tegangan sisi primer trafo) akan turun walaupun pada terminal sekunder trafo belum dihubungkan dengan peralatan listrik. Hal ini menunjukkan bahwa trafo tersebut juga membebani generator sehingga arus listrik akan mengalir ke dalam belitan trafo. Aliran arus inilah yang akan menyebabkan drop tegangan pada generator. Rerata prosentase drop tegangan generator adalah sebesar 30,87%. Drop tegangan yang cukup tinggi ini mengindikasikan bahwa hambatan internal belitan generator masih cukup tinggi nilainya. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh kecilnya ukuran belitan generator sehingga hambatan belitannya menjadi cukup besar. Semakin besar hambatannya maka semakin tinggi drop tegangannya. Hasil pengujian juga menunjukkan bahwa adanya penambahan trafo pada terminal keluaran generator dapat menaikkan tegangan keluaran generator. Ketika generator diputar pada kecepatan 450 rpm, tegangan fase ke netral pada terminal sekunder trafonya dapat mencapai 179,4 volt. Kenaikan tegangan ini disebabkan oleh adanya perbedaan jumlah belitan primer dan belitan sekunder trafo yang digunakan dalam pengujian. Hasil pengujian mengindikasikan bahwa jumlah belitan primer lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah belitan sekundernya sehingga trafo tersebut berfungsi sebagai trafo penaik tegangan. Hasil pengujian juga menunjukkan bahwa hasil pembagian tegangan sekunder dengan tegangan primer tidak menghasilkan nilai yang tetap. Nilainya bervariasi antara 7,43 10,33. Dengan kata lain, perbandingan transformasi atau rasio trafonya tidak konstan. Hal ini kemungkinan disebabkan kurang akuratnya alat yang digunakan untuk mengukur tegangan generator. (a) (b) Gambar 4. Hasil pengujian generator dalam kondisi tanpa beban dengan penambahan trafo (a) Tegangan primer trafo (b) Tegangan sekunder trafo 41

5 Pengujian generator dalam kondisi berbeban dilakukan dengan menghubungkan lampu listrik pada terminal generator dan kecepatan putar generator dipertahankan konstan sebesar 460 rpm. Jenis dan daya lampu divariasi. Hasil pengujian dengan beban lampu LHE pada gambar 5(a) menunjukkan bahwa daya beban yang dihubungkan pada generator akan mempengaruhi tegangan generator. Semakin besar daya beban yang terhubung maka semakin kecil tegangan generatornya. Ketika daya lampu LED dinaikkan dari 2 ke 7 watt maka tegangan pada sisi primer trafonya turun sebesar 46,42% dan ketika daya lampu LED dinaikkan dari 2 ke 9 watt maka tegangan pada sisi primer trafonya turun sebesar 55,35%. Hal ini disebabkan adanya drop tegangan pada belitan generator. Kenaikan beban akan menyebabkan kenaikan arus yang harus disuplai oleh generator. Sesuai dengan Hukum Ohm (V = IR), kenaikan arus I akan menyebabkan kenaikan drop tegangan V. Hasil pengukuran tegangan pada sisi sekunder trafo menunjukkan penurunan tegangan yang lebih besar lagi ketika daya bebannya dinaikkan. Ketika daya lampu LED dinaikkan dari 2 ke 7 watt maka tegangan pada sekunder trafonya turun sebesar 57,85% dan ketika daya lampu LED dinaikkan dari 2 ke 9 watt maka tegangan pada sekunder trafonya turun sebesar 60,91%. Hasil ini menunjukkan adanya penambahan drop tegangan yang terjadi pada belitan trafo sehingga drop tegangan generatornya menjadi semakin besar lagi. Hasil pengujian generator fluks aksial dalam kondisi berbeban dengan menggunakan lampu pijar pada gambar 5(b), semakin membuktikan bahwa semakin besar daya beban yang dihubungkan pada terminal generator maka semakin kecil tegangannya. Daya lampu pijar divariasi dari watt. Untuk kenaikan daya beban yang hampir sama, data juga menunjukkan bahwa lampu LED mengakibatkan penurunan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan lampu pijar. (a) (b) Gambar 5. Hasil pengujian generator fluks aksial dalam kondisi berbeban (a) Beban lampu LED (b) Beban lampu pijar 42

6 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian dan pembahasan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Semakin tinggi kecepatan putar generator fluks aksial maka semakin tinggi tegangannya. Dalam kondisi tidak berbeban, variasi kecepatan dari rpm akan menyebabkan tegangan fase ke netral generator bervariasi dari 3 28 volt dan tegangan fase ke fase generator bervariasi dari 6 49 volt. 2. Penambahan trafo pada terminal keluaran generator fluks aksial akan menaikkan tegangan generator sekaligus menaikkan drop tegangannya. 3. Kenaikan beban generator fluks aksial mengakibatkan penurunan tegangan generatornya. Penambahan beban lampu LED dari 2 9 watt mengakibatkan penurunan tegangan fase ke netral generator dari 28 12,5 volt. Penambahan beban lampu pijar dari watt mengakibatkan penurunan tegangan fase ke netral generator dari 8 2,7 volt. 5. DAFTAR PUSTAKA Bannon, Nick, J. Davis and E. Clement, 2013, Axial Flux Permanent Generator, Mechanical Engineering, University of Washington, USA Irasari, P., & Novrita, I., 2009, Aplikasi Magnet Permanen BaFe12O19 dan NdFeB Pada Generator Magnet Permanen Kecepatan Rendah Skala Kecil, Jurnal Sains Materi Indonesia 11(1), Nilendra, B. M., 2012, Analisa Perbandingan Desain dan Simulasi Generator Fluks Aksial Magnet Permanen 3 Fase Untuk Aplikasi Generator Angin Kecepatan Rendah, Skripsi, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Jakarta. Nugroho, R. A., 2013, Perancangan Generator SinkronMagnet Permanen Fluks Aksial Putaran Rendah, Skripsi, Jurusan Teknik Elektro dan Teknolgi Informasi Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Price, Garrison F., Todd D. Batzel, Mihai Comanescu, and Bruce A. Muller, 2008, Design and Testing of a Permanent Magnet Axial Flux Wind Power Generator, Pennsylvania State University, Altoona College, USA. Rao, Krishna Manasa, and Ashray Gururaja Manur, 2013, Design Optimization of Linear Generator for a Hydrokinetic Energy Converter, Department of Electrical and Electronics Engineering. Sri Jayachamarajendra College of Engineering. Rosu, Marius, Antero Arkkio, Tampani Jokinen, J. Mantere, and J. Westerlund, 1999, Prediction of Airgap Magnetic Field Distribution in Large Output Power Permanent Magnet Synchronous Motor, Electromotion 99-3 rd International Symposium on Advanced, 1, Rovio, T., H. Vihriälä, L. Söderlund, J. Kriikka, 2001, Axial And Radial Flux Generators in Small- Scale Wind Power Production, Institute of Electromagnetics. Tampere University of Technology.Finland. 43