PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN SATU FASE KECEPATAN RENDAH

Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 4 16 ISSN : 2339-028X PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN SATU FASE KECEPATAN RENDAH Agus Supardi, Aris Budiman, Sahid Sholihin Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura Surakarta 57162 Email : Agus.Supardi@ums.ac.id Abstrak Potensi tenaga air pada suatu daerah yang terpencil perlu dimanfaatkan untuk membangkitkan listrik. Generator induksi satu fase berdaya kecil merupakan salah jenis generator yang cocok diterapkan di daerah tersebut. Proses pembangkitan tegangan pada generator induksi seringkali tidak mudah dilakukan walaupun generator sudah diputar melebihi kecepatan sinkronnya. Penelitian ini bertujuan untuk merancang generator induksi magnet permanen yang dapat membangkitkan tegangan dengan mudah pada kecepatan rendah. Perancangan rotor dilakukan dengan menanam 12 pasang magnet permanen jenis neodymium berdimensi 35 x 15 x 7 mm. Perancangan stator dilakukan dengan merancang belitan stator menjadi 12 kutub. Pengujian generator induksi dilakukan dalam kondisi tanpa beban dan berbeban lampu pijar. Hasil pengujian menunjukkan generator induksi magnet permanen dalam kondisi tak berbeban mampu membangkitkan tegangan 151,1-237,1 volt dengan frekuensi 50,3-50,9 Hz ketika diputar dengan kecepatan putar 500 rpm dan kapasitor divariasi dari 4-12 µf. Generator mampu membangkitkan tegangan 88 221 volt dengan frekuensi 30,3 50,8 Hz ketika diputar dengan kecepatan 300 500 rpm dan kapasitor 10 µf. Dalam kondisi berbeban lampu pijar 10 50 watt, tegangan generator akan turun dari 2-141 volt. Hasil ini menunjukkan bahwa keluaran generator dipengaruhi oleh kecepatan putar, ukuran kapasitor, dan besar bebannya. Kata kunci : generator induksi magnet permanen, kecepatan rendah, tegangan, frekuensi 1. PENDAHULUAN Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan primer bagi manusia di era modern ini. Hal hal yang terkait dengan proses penyediaan energi listrik memerlukan perhatian yang lebih, mulai dari proses pembangkitan sampai dengan proses penyaluran ke beban. Salah satu masalah yang dihadapi Negara Indonesia adalah tidak seimbangnya antara peningkatan kebutuhan energi listrik dan kapasitas pembangkitnya. Hal ini bisa memacu terjadinya krisis energi listrik jika peningkatan permintaan energi listrik tidak diimbangi dengan pembangunan pembangkit baru. Negara Indonesia merupakan negara kepulauan sehingga di daerah daerah terpencil banyak tersedia sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik seperti air, angin dan cahaya matahari. Pemanfaatan potensi sumber daya alam tersebut memungkinkan daerah daerah terpencil menjadi teraliri oleh listrik. Ahuja and singh (14) menyatakan bahwa permintaan akan sumber energi hijau telah mendorong pembangunan pembangkit listrik tenaga surya dan tenaga angin. Keduanya sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor eksternal seperti cuaca sehingga pasokan energinya menjadi kurang stabil. Teknologi pembangkit yang diterapkan pada daerah terpencil sebaiknya sederhana, murah, mudah perawatannya dan dapat dioperasikan oleh masyarakat di daerah tersebut. Generator merupakan salah satu komponen utama pembangkit yang perlu dipertimbangkan dengan matang dalam perencanaan sistem pembangkit di daerah terpencil. Gupta and Wadhwani (12) memaparkan generator induksi tereksitasi diri dapat digunakan dalam pembangkit non konvensional seperti angin, air dan lain lain. Hal ini disebabkan kemampuannya untuk tetap beroperasi dalam kondisi dan pembebanan yang berbeda beda. Akan tetapi Sharma et al. (11) menyampaikan bahwa generator induksi memiliki kelemahan terkait regulasi tegangan yang kurang baik. Seringkali dijumpai kondisi dimana generator induksi tidak dapat membangkitkan tegangan walaupun sudah diputar melebihi kecepatan sinkronnya. Hal ini biasanya terjadi ketika generator induksi tersebut baru saja dioperasikan dan magnet sisanya tidak cukup besar. Dibutuhkan upaya khusus agar generator tersebut dapat membangkitan tegangan. Dalam penelitian ini dirancang generator induksi magnet permanen untuk beroperasi pada kecepatan rendah. Magnet yang 95

Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 4 16 ISSN : 2339-028X digunakan adalah magnet deodymium. Menurut Irasari dan Idayanti (09) magnet ini memiliki karakteristik yang lebih baik bila dibandingkan dengan magnet lainnya seperti alnico, ferit, dan samarium cobalt. Diharapkan dari penelitian ini akan dihasilkan suatu prototipe generator induksi satu fase berkecepatan rendah yang dapat membangkitkan tegangan dengan mudah. 2. METODE PENELITIAN Perancangan generator dimulai dengan merancang belitan stator menjadi 12 kutub yang secara teoritis akan membuat generator beroperasi pada kecepatan putar 500 rpm. Dalam rangka mempermudah proses pembangkitan tegangan maka dilakukan penanaman magnet permanen pada rotor yang berjenis sangkar tupai. Magnet yang ditanam melingkari rotor adalah magnet neodymium berbentuk persegi panjang sebanyak 12 pasang dengan ukuran 35 x 15 x 7 mm. Rotor dibor menggunakan mesin EDM menyesuaikan ukuran magnet permanen dengan kedalaman 7,1 mm. Desain belitan stator ditunjukkan pada gambar 1 sedangkan desain rotornya ditunjukkan pada gambar 2. Prototipe generator yang sudah jadi selanjutnya diuji dalam kondisi tanpa beban dan berbeban lampu pijar. Dalam pengujian dilakukan variasi ukuran kapasitor, kecepatan putar dan daya bebannya. Pada setiap pengujian dilakukan pengukuran kecepatan putar, tegangan, dan frekuensi generator. Gambar 1 Desain belitan stator Gambar 2 Desain rotor 96

Tegangan (volt) Frekuensi (Hz) Tegangan (volt) Frekuensi (Hz) Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 4 16 ISSN : 2339-028X 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Pengujian Generator Dalam Kondisi Tanpa Beban Dalam pengujian tanpa beban, generator induksi magnet permanen diputar oleh sebuah penggerak mula yang berupa motor listrik. Generator dikopel dengan penggerak mula dengan melalui puli dan sabuk transmisi. Kecepatan putar generator diatur dengan menggunakan regulator tegangan yang mencatu daya penggerak mula. Variasi pengujian yang dilakukan adalah generator diuji dengan kecepatan putar yang bervariasi tanpa ada kapasitor, generator diuji dengan kecepatan putar yang bervariasi dengan ukuran kapasitor dibuat tetap, dan generator diuji dengan kecepatan putar yang konstan dengan ukuran kapasitor bervariasi. Hasil pengujian generator induksi dengan kecepatan divariasi dari 300 500 rpm dalam kondisi tanpa ada kapasitor yang terhubung pada belitan stator ditunjukkan pada gambar 3. Hasil pengujian generator induksi dengan kecepatan putar 500 rpm dan kapasitor divariasi dari 4 12 µf ditunjukkan pada gambar 4. Hasil pengujian generator induksi dengan kecepatan divariasi dari 300 500 rpm dan kapasitor sebesar 10 µf ditunjukkan pada gambar 5. 140 130,7 1 108,6 100 100,3 84,9 80 75 60 40 60 55 53,8 50 45 44,8 41,7 40 35 35,3 30 31,3 25 (a) (b) Gambar 3 Hasil pengujian generator dalam kondisi tanpa beban dan tanpa kapasitor (a) Pengukuran tegangan (b) Pengukuran Frekuensi 270 2 170 1 151,1 169,6 194,3 218,6 237,1 51 50,5 50 50,3 50,5 50,5 50,7 50,9 70 49,5 2 4 6 8 10 12 14 49 2 4 6 8 10 12 14 Ukuran kapasitor (mikrofarad) Ukuran kapasitor (mikrofarad) (a) (b) Gambar 4 Hasil pengujian generator dalam kondisi tanpa beban dan kapasitor bervariasi (a) Pengukuran tegangan (b) Pengukuran Frekuensi 97

Tegangan (volt) Frekuensi (Hz) Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 4 16 ISSN : 2339-028X 270 55 2 170 1 70 88 114,4 140,3 176,4 221 50 45 40 35 30 25 30,3 35,8 40,2 45,6 50,8 (a) (b) Gambar 5 Hasil pengujian generator dalam kondisi tanpa beban dan kecepatan bervariasi (a) Pengukuran tegangan (b) Pengukuran Frekuensi Gambar 3(a) menunjukkan bahwa generator dapat membangkitkan tegangan walau tidak ada kapasitor yang dipasang pada belitan statornya. Hal ini menunjukkan generator tersebut beroperasi sebagai generator magnet permanen. Pada permulaan pengujian, tidak diperlukan upaya khusus agar generator dapat membangkitkan tegangan. Setelah rotor diputar oleh penggerak mula, medan magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen yang terpasang pada rotor akan memotong lilitan stator. Perpotongan ini akan menimbulkan tegangan di antara belitan stator. Data menunjukkan bahwa tegangan akan berbanding lurus dengan kecepatan putar generator. Ketika kecepatan putarnya dinaikkan, maka tegangan yang dihasilkan juga akan naik. Tegangan terendah sebesar 75 volt akan dibangkitkan oleh generator pada kecepatan terendah sebesar 300 rpm. Tegangan tertinggi sebesar 130,7 volt akan dibangkitkan oleh generator pada kecepatan tertinggi sebesar 500 rpm. Tegangan yang dibangkitkan oleh generator masih di bawah standar kualitas yang ditetapkan oleh PLN sehingga perlu dinaikkan lagi. Gambar 3(b) menunjukkan bahwa generator dapat membangkitkan tegangan bolak balik dengan frekuensi tertentu walaupun tidak ada kapasitor yang dipasang pada belitan statornya. Secara teoritis frekuensi generator ditentukan oleh seberapa cepat medan magnet permanen pada rotor memotong belitan stator. Data menunjukkan bahwa frekuensi akan berbanding lurus dengan kecepatan putar generator. Ketika kecepatan putarnya dinaikkan, maka frekuensi yang dihasilkan juga naik. Frekuensi terendah sebesar 31,3 Hz dihasilkan ketika generator diputar pada kecepatan terendah sebesar 300 rpm. Frekuensi tertinggi sebesar 53,8 Hz dihasilkan oleh generator ketika diputar pada kecepatan tertinggi sebesar 500 rpm. Generator dapat menghasilkan frekuensi yang sesuai dengan standard PLN jika diputar pada kecepatan yang tepat. Gambar 4(a) menunjukkan bahwa ketika generator diputar pada kecepatan tetap maka tegangan yang dibangkitkan akan dipengaruhi oleh ukuran kapasitor yang dihubungkan pada belitan statornya. Data menunjukkan bahwa tegangan akan berbanding lurus dengan ukuran kapasitor. Ketika ukuran kapasitornya dinaikkan maka tegangan yang dibangkitkan juga naik. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Supardi (14). Tegangan terendah sebesar 151,1 volt akan dibangkitkan ketika generator dihubungkan dengan kapasitor terkecil sebesar 4 µf. Tegangan tertinggi sebesar 237,1 volt akan dibangkitkan ketika generator dihubungkan dengan kapasitor terbesar sebesar 12 µf. Hasil ini menunjukkan bahwa ukuran kapasitor yang dihubungkan pada generator induksi harus dipilih dengan tepat agar tegangan yang dibangkitkan oleh generator sesuai dengan standard yang ditetapkan oleh PLN. Fenomena ini memperkuat fenomena eksitasi diri pada generator induksi dimana kapasitor akan berfungsi sebagai sumber eksitasi generator sehingga tidak lagi diperlukan sumber eksitasi yang terpisah seperti pada generator sinkron. Gambar 4(b) menunjukkan bahwa ketika generator diputar pada kecepatan tetap maka frekuensi yang dihasilkan oleh generator tidak terlalu berubah. Variasi ukuran kapasitor tidak terlalu berpengaruh terhadap frekuensi. Data menunjukkan bahwa ketika generator induksi diputar pada kecepatan ± 500 rpm maka dihasilkan frekuensi ± 50 Hz. Hasil ini sesuai teori bahwa 98

Tegangan (volt) Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 4 16 ISSN : 2339-028X frekuensi generator ditentukan oleh kecepatan putarnya. Untuk generator 12 kutub maka secara teoritis diperlukan kecepatan putar sebesar 500 rpm agar dihasilkan frekuensi sebesar 50 Hz. Gambar 5(a) menunjukkan bahwa ketika generator induksi dihubungkan dengan kapasitor tetap sebesar 10 µf maka tegangannya akan dipengaruhi oleh kecepatan putar generator. Data menunjukkan semakin tinggi kecepatan putarnya maka semakin tinggi tegangan yang dibangkitkan oleh generator. Hasil ini selaras dengan hasil pengujian generator induksi pada saat tidak ada kapasitor yang dihubungkan pada generator. Perbedaannya adalah untuk kecepatan putar yang sama maka akan dibangkitkan tegangan yang lebih tinggi. Pada saat generator diputar pada kecepatan terendah sebesar 300 rpm maka akan dibangkitkan tegangan sebesar 88 volt yang lebih tinggi 13 volt bila dibandingkan dengan hasil pengujian tanpa kapasitor. Pada saat generator diputar pada kecepatan tertinggi sebesar 500 rpm maka akan dibangkitkan tegangan sebesar 221 volt yang lebih tinggi 90,3 volt bila dibandingkan dengan hasil pengujian tanpa kapasitor. Hasil ini memperkuat adanya fenomena eksitasi diri dimana kapasitor yang dihubungkan akan meningkatkan medan magnet yang memotong belitan stator sehingga akan dihasilkan tegangan yang lebih tinggi. Gambar 5(b) menunjukkan bahwa ketika generator induksi dihubungkan dengan kapasitor tetap sebesar 10 µf maka frekuensinya akan dipengaruhi oleh kecepatan putar generator. Data menunjukkan semakin tinggi kecepatan putarnya maka semakin tinggi frekuensi yang dihasilkan oleh generator. Hasil ini juga sejalan dengan hasil pengujian generator induksi pada saat tidak ada kapasitor yang dihubungkan pada generator. 3.2 Hasil Pengujian Generator Dengan Beban Resistif Dalam pengujian berbeban ini, generator induksi dihubungkan dengan kapasitor sebesar 10 µf. Generator diputar sampai 5 rpm sehingga pada terminal belitan stator dibangkitkan tegangan 222 volt dan frekuensi 52 Hz. Setelah itu, beban resistif yang berupa lampu pijar dihubungkan pada generator secara bertahap. Hasil pengujiannya ditunjukkan pada gambar 6. Gambar 6 menunjukkan bahwa tegangan yang dibangkitkan oleh generator akan dipengaruhi oleh besar bebannya. Semakin besar bebannya maka semakin kecil tegangannya. Dalam kondisi tanpa beban, tegangan yang dibangkitkan adalah sebesar 2 volt sedangkan dalam kondisi berbeban lampu pijar sebesar 50 watt, tegangan yang dibangkitkan adalah sebesar 141 volt. Data ini menunjukkan adanya fenomena drop tegangan ketika generator induksi dibebani. Secara teoritis pada saat beban dihubungkan pada generator maka arus mulai dialirkan. Sehubungan lilitan generator mempunyai resistansi dan reaktansi tertentu maka sesuai dengan Hukum Ohm, aliran arus beban akan menyebabkan adanya drop tegangan pada belitan stator. Nilai drop tegangan ini akan ditentukan oleh besarnya arus yang mengalir. Arus yang mengalir akan ditentukan oleh besarnya beban. Semakin besar beban maka semakin besar arusnya. Dampaknya semakin besar beban semakin besar pula drop tegangannya sehingga tegangan pada terminal generator akan menjadi semakin kecil. 270 2 170 1 221 2 184 168 154 141 70 0 10 30 40 50 60 Ukuran kapasitor (mikrofarad) Gambar 6 Hasil pengujian generator dalam kondisi berbeban lampu pijar 99

Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) 4 16 ISSN : 2339-028X 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan sebelumnya dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Penambahan magnet permanen pada rotor generator induksi dapat mempermudah proses pembangkitan tegangan. 2. Keluaran generator induksi dipengaruhi oleh kecepatan putar, ukuran kapasitor dan beban. Semakin tinggi kecepatan putar maka semakin tinggi tegangan dan frekuensinya. Semakin besar ukuran kapasitor maka semakin tinggi tegangannya. Semakin besar beban maka semakin rendah tegangannya. 3. Generator induksi magnet permanen dalam kondisi tak berbeban mampu membangkitkan tegangan 151,1 237,1 volt dengan frekuensi 50,3 50,9 Hz ketika diputar dengan kecepatan 500 rpm dan kapasitor divariasi dari 4 12 µf. Generator mampu membangkitkan tegangan 88 221 volt dengan frekuensi 30,3 50,8 Hz ketika diputar dengan kecepatan 300 500 rpm dan kapasitor 10 µf. Dalam kondisi berbeban lampu pijar 10 50 watt, tegangan generator akan turun dari 2 141 volt. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan kepada Kemenristek Dikti selaku penyandang dana penelitian hibah bersaing sehingga akhirnya kegiatan penelitian ini dapat dilaksanakan. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah memberikan dukungan terkait penelitian ini. DAFTAR PUSTKA Ahuja, R.K., dan Singh, A., 14, Three Phase Self Excited Induction Generator Electronic Load Controller Using Pi Controller, International Journal of Advanced Research in IT and Engineering, 3(3). Gupta, Ashish., dan Wadhwani, S., 12, Analysis of Self-Excited Induction Generator for Isolated System, International Journal Of Computational Engineering Research, 2(2):353 358. Irasari, P., dan Idayanti, N., 09, Aplikasi Magnet Permanen BaFe12O19 dan NdFeB pada Generator Magnet Permanen Kecepatan Rendah Skala Kecil, Jurnal Sains Materi Indonesia, 11(1): 38-41. Sharma, P., Batthi, T.S., dan Ramakrishnan, K.S.S., 11, Permanent Magnet Induction Generators: An Overview, Journal of Engineering Science and Technology, 6(3): 332-338. Supardi, A., Prasetya, D.A. dan Susilo, J., 14, Pengaruh Ukuran Kapasitor terhadap Karakteristik Keluaran Generator Induksi 1 Fase, Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST), Yogyakarta, 15 November 14. 100