ANALISIS PENGARUH RAPAT FLUKS CELAH UDARA TERHADAP KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET PERMANENT

ISSN 1978-2365

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 10 | No. 2 | Desember 2011 | 123-130

ANALISIS PENGARUH RAPAT FLUKS CELAH UDARA TERHADAP KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET PERMANENT Muhammad Kasim1), Fitriana2), Pudji Irasari3), Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik-LIPI Jl. Sangkuriang, Komplek LIPI, Gd.20, Bandung 40135 Telp.: (022)2503055, Fax: (022)2504773 [email protected]

ABSTRAK Unjuk kerja generator magnet permanen (GMP) dipengaruhi oleh beberapa hal, salah satunya adalah nilai rapat fluks celah udara (Bg) magnet permanen yang digunakan. Fluks celah udara merupakan mutual fluks yang dibangkitkan oleh magnet permanen dan lilitan dalam alur. Paper ini membahas pengaruh Bg terhadap karakteristik berbeban dan tanpa beban generator magnet permanen 3 kW, 3 fasa, 300 rpm. Nilai Bg yang di bandingkan adalah 0,38 T dan 0,5 T. Dengan metode analitik, jumlah lilitan per fasa dapat dihitung. Dari hasil perhitungan lilitan dapat diketahui besarnya tegangan yang dihasilkan pada kondisi tanpa beban dan daya yang dihasilkan pada kondisi berbeban. Hasil pengujian di laboratorimum menunjukkan bahwa Bg 0,38 T membangkitkan tegangan 400 volt dan daya 1989 watt pada 300 rpm. Sedangkan Bg 0,5 T membangkitkan tegangan 300 volt dan daya 1770 W pada 300 rpm. Pada putaran nominal hasil pengujian menunjukkan rugi panas yang terjadi untuk Bg 0,38 T mengalami kenaikan sekitar 18% dibandingkan dengan rugi panas pada Bg 0,5 T. Kenaikan rugi panas ini lebih besar dibandingkan dengan kenaikan daya yang mengalami kenaikan sebesar 10%. Nilai Bg menentukan besarnya nilai tegangan yang mempengaruhi besarnya daya yang dihasilkan GMP. Kata kunci: Generator, magnet permanen, fluks celah udara

ABSTRACT Performance of permanent magnet generator (PMG) is affected by some factors, and one of these factors is the value of air gap flux density (Bg) of the permanent magnet used. Air gap flux is mutual flux generated by the interaction between the permanent magnet and the conductor in the slot of generator. The Effect of air gap flux to the characteristics of the 3 kW, 3 phase, 300 rpm permanent magnet generator has been done. The values of Bg are 0.3 T and 0.5 T. With analytic method, total turn per phase can be determined. Then the values of voltage resulted in no-load condition and power in load condition can be calculated. The results show that with Bg 0.3 T the generator can develop 400 volt of voltage and 1989 watt of power at 300 rpm speed. With Bg 0.5 T the generator can develop 300 volt of voltage and 1770 watt of power at 300 rpm speed. At nominal speed, the thermal losses for Bg 0.3 T increase about 18% if it is compared to 0.5 T. This increase is more significant than the power of PMG where the increase is approximately 10%. Variation of Bg determines the values of voltage and power developed by PMG. Keywords: Generator, permanent magnet, air gap flux Naskah diterima: 25 Januari 2011, dinyatakan layak muat : 23 Desember 2011

123

124


METODOLOGI

PENDAHULUAN

Dalam penelitian ini, parameter generator

Latar Belakang Unjuk kerja dari suatu GMP dipengaruhi oleh beberapa hal , salah satunya adalah nilai Bg pada magnet permanen yang digunakan. Fluks celah

udara

124

merupakan

mutual

flux

yang

dibangkitkan oleh magnet permanen dan lilitan dalam alur. P Thelin and H-P Nee

(1)

membahas

secara lebih detail perhitungan untuk menentukan nilai Bg. Bg dinyatakan dengan persamaan(2) : (1) dimana Bg = fluks celah udara ( Tesla), CØ= Faktor kerapata fluks , Kc = koefisien carter, PC =

yang di bandingkan adalah nilai Bg yaitu 0,38 T dan 0,5 T sesuai dengan hasil pengukuran pada magnet permanen, sedangkan parameter yang lainnya tetap. Pengukuran dilakukan di tiga titik berbeda pada permukaan magnet permanen seperti yang diperlihatkan pada gambar 1. Dengan perhitungan analitik diperoleh jumlah lilitan yang berbeda

untuk tiap nilai Bg(2). Selanjutnya

generator diuji dengan mengaplikasikan

jumlah

lilitan tersebut. Dengan metode analitik akan dianalisa pengaruh nilai Bg tersebut terhadap karakteristik daya dan tegangan GMP(3). 2

1

3

koefisien permenace, µr = relative permeability, Kml = koefisien magnet bocor dan Br = remanensi kerapatan fluks . Magnet Permanen

Fluks pada celah udara adalah salah satu parameter penting dalam desain GMP. Nilai Bg ini digunakan dalam

perhitungan Electromotive

Gambar 1. Pengukuran Bg pada magnet

Prototipe Generator

Force (EMF) dan torsi pada generator. Fluks

Tipe generator yang dibahas dalam paper

magnet pada generator akan melingkupi seluruh

ini adalah radial fluks - inner rotor, seperti yang

lilitan pada stator. Inti stator dan rotor bertindak

diperlihatkan gambar 2.

sebagai lintasan fluks, sehingga area stator dan rotor hanya sedikit menyerap fluks. Sebagian besar fluks akan melewati celah udara(3). Tujuan Dalam paper ini akan dibahas pengaruh nilai Bg terhadap karakteristik tegangan dan daya GMP Gambar 2. GMP inner rotor

Analisis Pengaruh Rapat Fluks Celah Udara Terhadap Karakteristik Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Generator Magnet Permanent Vol. 10 | No. 2 | Desember 2011 | 123-130

125

Stator tersusun dari laminasi silicon steel.

dimana En adalah tegangan maksimum, θ adalah

Rotor berbentuk slinder yang melekat pada poros

posisi rotor ( derajat listrik ) dan faktor kemiringan

dimana terdapat alur sebagai tempat magnet

ksn = 1.

permanen. Data GMP yang digunakan dan hasil perhitungan desain ditampilkan dalam Tabel 1 dan 2

Nilai Bg yang digunakan pada design GMP juga mempengaruhi jumlah lilitan yang akan di tempatkan pada alur stator. Hubungan antara nilai Bg dan jumlah lilitan ditunjukkan oleh persamaan

Tabel 1. Data parameter GMP

(2)

:

Parameter

Simbol

Besaran

Daya, (W)

P

3000

Tegangan nominal,(V)

E

220

dimana f = frekuensi ( pada paper ini frekuensi

(volt) Frekuensi nominal,(Hz)

F

50

nominal adalah 50 Hz ), Eph = tegangan per fasa (

Fasa

M

3

pada paper ini tegangan nominal adalah 220 Volt),

Putaran nominal, (rpm)

N

300

fm = fluks magnet (weber), kw = faktor lilitan.

Jumlah kutub

P

18

Fluks magnet fm merupakan produk dari kerapatan

Jumlah pasang kutub

2p

9

fluks magnet di celah udara Bg dan

Diameter luar stator (m)

Do

0,34

Diameter dalam

Di

0,1476

stator(m) Diameter rotor, (m)

Dr

0,147

Jumlah alur

Ss

54

Magnet permanen

-

N35 Bonded lapis Nikel

Electromotive Force (EMF)

(3)

penampang magnet Am, atau

(2)

fm = Bg×Am,

luas

: (4)

dengan Am = 1,6×10-3 m2.

Tabel 2 Hasil perhitungan desain prototip generator Simbol

Bg 0.5

Bg 0.38

Nph

1247

1606

as

0.3301751

0,3136663

I

1,65

1,56

EMF dihitung dari variasi gandengan fluks dengan koil stator pada saat rotor berputar. EMF dapat dihitung dengan persamaan (4) :

dimana Nph = jumlah lilitan, as adalah luas (2)

penampang

kawat ( mm2), I adalah arus fasa

( ampere ).

Naskah diterima: 25 Januari 2011, dinyatakan layak muat : 23 Desember 2011

126


126

HASIL DAN PEMBAHASAN

Eksperimen Eksperimen GMP dilakukan dengan cara

Berdasarkan pada hasil perhitungan desain

memutar generator G dengan menggunakan motor

pada kondisi putaran nominal, diperoleh jumlah

induksi M melalui pulley belt dengan rasio 2 : 5.

lilitan perfasa yang berbeda yaitu untuk generator

Putaran motor diatur menggunakan oscillator.

0,38 T adalah sebanyak 1606 lilitan, sedangkan

Eksperimen dilakukan untuk kedua nilai Bg untuk

untuk generator dengan 0,5 T sebanyak 1247

mendapatkan

dan

lilitan. Untuk Bg 0,38 T dengan luas penampang

berbeban. Eksperimen GMP diperlihatkan pada

lilitan 0,31 mm2 menghasilkan arus sebesar 1,56

gambar

ampere, sedangkan untuk Bg 0,5 T dengan luas

3

karakteristik dan

set-up

tanpa uji

di

beban

laboratorium

diperlihatkan pada gambar 4.

penampang lilitan 0,33 mm2 menghasilkan arus sebesar 1,65 ampere. Dengan menggunakan rapat

GMP

arus yang sama yaitu 5 A/mm2 [3], nilai arus yang dihasilkan generator ditentukan oleh penampang kawat penghantar. Daya yang dihasilkan generator ditentukan oleh nilai tegangan dan arus yang dibangkitkan generator. Penampang

lilitan

juga

mempengaruhi

besarnya nilai resistansi dan induktansi GMP. Nilai

Tahanan air

resistansi bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut(2) :

Gambar 3 : Set-up uji prototip GMP dengan serta instrumen ukurnya

Panjang satu belitan, (5) dimana Li = panjang efektif stator, Di = diameter dalam stator dan 2p = jumlah pasang kutub Panjang sambungan antar koil (6)

Gambar 4. Metode uji generator magnet permanen

Panjang belitan per koil (7) dimana Nc = jumlah konduktor per koil Panjang belitan per fasa


(8) Dimana qt = koil peralur ( dalam paper ini = 1)

127

dihasilkan adalah sebesar 103,6 volt dan tegangan yang dihasilkan pada putaran nominal adalah sebesar 300 volt.

Sehingga resistansi per fasa Perbedaan nilai Bg mempengaruhi jumlah (9)

lilitan perfasa. Berdasarkan pada data prototipe

dimana as dalam mm dan r = massa jenis tembaga

generator, untuk prototipe dengan Bg 0,38 T

= 1,72 x 10-8 Wm.

mempunyai jumlah lilitan perfasa yang lebih

2

Dengan metode uji di atas, pengujian dilakukan untuk dua kondisi yaitu tanpa beban dan berbeban (menggunakan tahanan air).

banyak

bila

dibandingkan

dengan

generator

dengan Bg 0,5 T. Jumlah lilitan perfasa untuk generator 0,38 T adalah sebanyak 1606 lilitan, sedangkan untuk generator dengan 0,5 T sebanyak 1247 lilitan.

Tanpa Beban

Sesuai persamaan 1, perbedaan jumlah lilitan perfasa menghasilkan tegangan tanpa beban yang berbeda. Tegangan tanpa beban yang dihasilkan generator berbanding lurus dengan jumlah lilitan perfasanya. Saat uji tanpa beban, nilai inrush current (arus yang terukur pada saat generator mulai berputar)

yang

terekam

oleh

alat

ukur

Gambar 5 Grafik tegangan tanpa beban untuk

menunjukkan bahwa nilai Bg 0,38 menghasilkan

masing-masing Bg

nilai inrush current sebesar 55 A, sedangkan untuk

Gambar

5

menunjukkan

karakteristik

tegangan tanpa beban terhadap putaran untuk masing-masing nilai Bg. Dari grafik dapat dilihat bahwa

dengan Bg 0,38 T tegangan yang

dihasilkan pada putaran 100 rpm sebesar 134,7 volt dan pada putaran nominal (300 rpm) menghasilkan tegangan sebesar 400 volt. Untuk Bg 0,5 T, pada putaran 100 rpm tegangan yang

Bg 0,5 T besarnya inrush current adalah 29 ampere. Nilai minus pada alat ukur menunjukkan bahwa pada saat capturing oleh alat ukur, siklus arus yang direkam adalah pada siklus negatifnya . Pada paper ini nilai yang diambil adalah amplitudo tertinggi dengan nilai absolutnya (nilai positif). Gambar 6 dan 7 menunjukkan nilai inrush current kedua Bg.


128


Gambar 6. Inrush Current untukBg 0.38 T

Gambar 7. Inrush Current untukBg 0.5 T

128


Kondisi Berbeban

129

berbeda. Untuk Bg 0,38 T, diameter yang

Pengujian kondisi berbeban dilakukan dengan mnggunakan beban tahanan air dengan memutar generator dari putaran 100 rpm sampai dengan 600 rpm dengan rentang 100 rpm. Gambar 8 menunjukkan daya yang dihasilkan oleh generator untuk tiap Bg yang digunakan

digunakan adalah 0,6 mm sedangkan untuk Bg 0,5 T digunakan kawat penghantar dengan diameter

0,65

mm.

Lilitan

dengan

luas

penghantar yang berbeda akan mempunyai kapasitas hantar arus (KHA) yang berbeda, sehingga menghasilkan daya yang berbeda pula sesuai persamaan 3): P=V.I

(10)

I=δ.A

(11)

dimana P = daya ( watt), I = arus (ampere), δ = rapat arus (A/mm2), A = luas penghantar (mm2). Perbedaan

jumlah

lilitan

perfasa

mempengaruhi besarnnya nilai resistansi dan induktansi lilitan. Berdasarkan pengukuran yang dilakukan, untuk Bg 0,38 T mempunyai nilai rs Gambar 8 Kurva Daya untuk tiap Bg

sebesar 29,3 ohm, sedangkan untuk Bg 0,5 T

Pada kecepatan 100 rpm kedua nilai Bg

mempunyai nilai rs sebesar 17,9 ohm. Sesuai

menghasilkan daya yang hampir sama yaitu

persamaan 8, diameter penghantar dan panjang

sekitar 300 watt. Namun pada saat putaran

lilitan perfasa menentukan nilai resistansi lilitan.

generator

putaran

Dengan jumlah lilitan yang lebih banyak akan

nominal, Bg 0,5 T menghasilkan daya sebesar

menghasilkan resistansi perfasa yang lebih besar

1770 Watt sedangkan Bg 0,38 T menghasilkan

dibanding

daya 1989 Watt. Hal ini menunjukkan bahwa

Konsekuensi dari besarnya nilai resistansi ini

nilai

adalah timbulnya rugi-rugi pada lilitan berupa

Bg

dinaikkan

juga

sampai

pada

mempengaruhi

daya

yang

dihasilkan.

jumlah

lilitan

yang

sedikit.

panas. Hasil pengujian menunjukkan rugi panas yang terjadi pada putaran nominal untuk Bg 0,5

Dengan jumlah lilitan yang berbeda,

T sebesar 445 watt sedangkan untuk Bg 0,38 T

maka untuk mengisi alur stator dengan luas yang

sebesar 549 watt, mengalami kenaikan sekitar 18

sama, maka luas penampang penghantar akan

%. Kenaikan rugi panas ini lebih besar


130

dibandingkan dengan kenaikan daya

yang

mengalami kenaikan sebesar 10 %

GMP

analisis

Bg

berdasarkan

hasil

Ohio

State

eksperimen dengan

menunjukkan bahwa Bg

0,38

tegangan

T

akan

tanpa

beban

putaran nominal. Dengan Bg 0.5 T akan membangkitkan tegangan 300 volt dan daya 1770 watt. Nilai Bg yang bervariasi memberikan karakteristik yang berbeda. Pada putaran nominal perbedaan tegangan tanpa beban sekitar 20% dan pada kondisi berbeban perbedaan daya yang dihasilkan sekitar 10%.

Saran Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk nilai Bg yang baik DAFTAR PUSTAKA 1. Thelin, P., Nee, H-P. 1999. Calculation of The Airgap Flux Density of Pm Synchronous Motors With Buried Magnets Including Axial Leakage and Teeth Saturation. KTH Royal Institute of Technology. 2. Comanescu, M., A. Keyhani, M. Dai, 2003. Design and Analysis of 42-V PermanentGenerator

for

Automotive

Applications. IEEE Transaction on Energy Conversion.

Hill (2000). A Low-Speed, High-Torque, Direct-Drive Permanent Magnet Generator

sebesar 400 volt dan daya1989 watt pada

Magnet

Generator,

Magnet

4. Wu, W., V. S. Ramsden, T. Crawford, G.

membangkitkan

2.

Permanent

University.

eksperimen, diperoleh kesimpulan bahwa : Hasil

42V/3000W

Synchronous

Kesimpulan Dari

3. Mahalingam, G., A. Keyhani, 2000, Design Of

KESIMPULAN DAN SARAN

1.

130


for

Wind

Turbines.

Application Conference.

IEEE

Industrial

ANALISIS PENGARUH RAPAT FLUKS CELAH UDARA TERHADAP KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET PERMANENT

Recommend Documents