BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Turbin
Turbin air adalah salah satu penghasil energi terbersih, menggantikan
pembakaran bahan bakar fosil dan menghapuskan limbah nuklir. Turbin
menggunakan energi terbarukan dan didesain untuk beroperasi dalam jangka waktu puluhan tahun. Turbin yang digunakan untuk menggerakan alternator merupakan pembangkit listrik dengan presentase terbesar di dunia. Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Turbin air pada dasarnya terbagi 2 menurut penggunaan debit air untuk menggerakkan turbin tersebut, yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Turbin reaksi sebagai contohnya adalah turbin Kaplan, turbin Francis dan turbin Propeller, sedangkan turbin impuls contohnya adalah turbin Pelton, turbin Turgo dan turbin Cross-Flow. Pada laporan ini penulis hanya terfokus pada turbin Propeller. Turbin Propeler yang disebut juga Turbin baling-baling poros horizontal adalah turbin yang bekerja di dalam air yang dapat mengubah head kecil atau rendah menjadi power yang besar. Turbin baling-baling ini mempunyai keuntungan dimana harganya relatif murah dan dapat dioperasikan pada kondisi kapasitas air yang relatif konstan. Kelemahan turbin ini dibanding Kaplan adalah sudu turbin airnya tidak dapat diubah-ubah sesuai dengan kondisi pergolakan air.
5
6
2.2
Teknik Listrik Teknik listrik adalah salah satu bidang ilmu teknik mengenai aplikasi listrik
untuk memenuhi kebutuhan masyarakat. Teknik listrik melibatkan konsep, perancangan, pengembangan dan produksi perangkat listrik dan elektronik yang
dibutuhkan oleh masyarakat.
2.2.1
Muatan Listrik Muatan listrik merupakan sifat materi yang sangat mendasar. Pada dasarnya
muatan listrik dikaitkan dengan partikel yang seukuran atom, seperti elektron dan
proton. Model atom secara sederhana dapat diilustrasikan dengan Gambar II. 1.
Gambar II. 1
Model Atom.
(http://ltps.uad.ac.id/karya/wahyubs_listrik_statis/muatan_listrik.html)
Benda bermuatan listrik ialah benda yang mempunyai kelebihan sejumlah elektron atau proton. Benda yang kelebihan sejumlah elektron akan bermuatan negatif dan yang kelebihan sejumlah proton dikatakan bermuatan positif. 2.2.2
Arus Listrik Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang bisa mengalir melalui
kabel atau penghantar listrik lainnya tiap satuan waktu. Satuan arus listrik adalah 18
Ampere. 1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 6,28x10
atau
sama dengan 1 Coulumb per detik yang melewati suatu penampang konduktor.
............................................................................ ....... (1)
7
dimana :
I
=
Arus Listrik (ampere)
q
=
Muatan Elektron (coulomb)
t
=
Waktu (detik)
2.2.3
Beda Potensial/ Tegangan Listrik Tegangan listrik adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam
rangkaian listrik, dinyatakan dalam satuan Volt. Besaran ini mengukur energi potensial sebuah medan listrik untuk menyebabkan aliran listrik dalam sebuah
konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensi listrik satu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Menurut hukum ohm, diperoleh persamaan
.... ...............................................................................(2)
di mana:
2.2.4
V =
Tegangan Listrik (Volt)
I
=
Arus Listrik (Ampere)
R
=
Hambatan Listrik ().
Tahanan/ Hambatan Listrik Tahanan adalah suatu komponen listrik yang bersifat menghambat arus
listrik. Nilai tahanan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik pada tahanan tersebut dengan arus listrik yang melewatinya. Hambatan listrik menurut hukum ohm sebagai berikut:
2.2.5
..... ............................................................................ (3)
Induktor Sebuah induktor adalah sebuah komponen elektronika pasif (kebanyakan
berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi dalam medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Fungsi utama suatu induktor adalah menahan perubahan arus listrik. Kemampuan induktor untuk menyimpan
8
energi magnet ditentukan oleh induktansinya, yang bersatuan Henry. Biasanya sebuah
induktor
adalah
sebuah
kawat
penghantar
yang
dibentuk
menjadi kumparan. Lilitan akan membuat medan magnet yang kuat di dalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday.
2.2.6
Kapasitor Kapasitor adalah komponen elektronika yang mempunyai kemampuan
menyimpan sementara muatan listrik. Pengertian lain kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan dan melepaskan muatan listrik. Pronsip dasar
sebuah kapasitor adalah 2 pelat yang diletakkan sejajar kemudian ditengahnya disisipi oleh bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara, keramik, gelas, elektrolit dan lain-lain. Kemampuan untuk menyimpan muatan listrik pada kapasitor disebuat kapasitansi atau kapasitas. 2.2.7
Daya Listrik Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu dimana pekerjaan
sedang berlangsung atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (P) dapat dirumuskan:
................................................................................................. (4)
...............................................................................................(5)
................................................................................................(6)
dimana: P
=
W =
Usaha (Joule)
t
=
Waktu (detik)
I
=
Arus Listrik (A)
V =
Daya (Watt)
Tegangan Listrik (volt)
9
2.2.8
Alternating Current Generator AC 1 fasa adalah sebuah generator yang sistemnya hanya
memiliki satu kumpulan kumparan. Kumparan ini dilukiskan dengan satu garis dan
dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan.
Gambar II. 2 Gaya electromotive pada single phase AC (http://www.scribd.com/doc/12920427/39/Arus-AC-3-phase)
Pada gambar II. 2, tiga kelompok coil yang mempunyai gulungan yang sama, A-A', B-B' dan C-C', dililit dengan jajaran 120° derajat, dan ketika magnet berputar dengan coil, maka akan dihasilkan tegangan 3-phase AC seperti tampak pada gambar II. 2. Coil B mengasilkan tegangan setelah 120° derajat di belakang tegangan yang dihasilkan pada coil A, dan coil C menghasilkan tegangan 120° dibelakang tegangan yang dihasilkan oleh coil C. Pola AC yang dihasilkan pada kelompok A, B dan C disebut dengan 3-phase AC.
Gambar II. 3 Diagram susunan 3-phase coil
Gambar II. 4 Tegangan AC 3-phase
(http://www.scribd.com/doc/12920427/39/Arus-AC-3-phase)
10
2.2.9
Frekuensi Seperti tampak pada gambar II. 3, satu siklus adalah perubahan gaya
elektromotif dari a ke a' dan frekuensinya adalah banyaknya pengulangan tersebut satu detik. Pada gambar II. 4, jika menggunakan 4 kutub magnet, maka dalam
perubahan yang sama terjadi setiap 1/2 putaran, jadi 2-siklus terjadi setiap satu kali putaran magnet. Apabila jumlah kutub magnetnya bertambah atau putarannya naik, maka frekuensinya juga meningkat. Hubungan ini diutarakan dengan persamaan
sebagai berikut.
...... ..................................................................(7)
dimana : f
=
frekuensi (Hz)
p
=
jumlah pole
N =
kecepatan putar (rpm)
2.2.10 Vmax Nilai maksimum ditulis sebagai Vmaks (Vm) atau dalam arus Imaks (Im). Dalam arus bolak balik terdapat dua nilai maksimum, yaitu maksimum positif dan maksimum negatif. Bila dua nilai maksimum tersebut dijumlahkan disebut sebagai nilai puncak-ke-puncak (peak-to-peak).
Gambar II. 5
Vmax
.... .................................................................................(8) ...... .....................................................................(9)
11
dimana:
Vef
=
tegangan efektif (V)
Vm
=
tegangan maksimum (V)
Ief
=
arus efektif (A)
Im
=
arus maksimum (A)
2.2.11 Veff
Nilai efektif kuat arus/tegangan AC adalah nilai arus/tegangan AC yang
menghasilkan jumlah kalor yang setara pada suatu beban apabila beban tersebut
dialiri oleh suatu kuat arus/tegangan DC.
2.2.12 Star/delta connection
Gambar II. 6
Metode koneksi pada 3-phase coil
(http://www.scribd.com/doc/12920427/39/Arus-AC-3-phase)
Susunan alternator AC 3-phase AC adalah 3 pasang coil yang dihubungkan seperti tampak pada gambar II. 6 pada gambar (a) terlihat koneksi dengan pola Y (atau koneksi bintang) dimana masing-masing ujung coil A, B dan C adalah terminal luar untuk masing-masing coil dan ujung lainnya disambungkan dalam satu titik. Sementara pada gambar (b) terlihat penghubungan dengan pola koneksi segi tiga (atau koneksi delta) dimana satu titik bintang masing-masing coil dihubungkan ke ujung lainnya dan masing-masing titiknya adalah tiga terminal luar. Disini tegangan dan arus yang dihasilkan dari masing-masing coil disebut dengan fase arus. Tegangan antara terminal luar dan arus yang mengalir pada
12
terminal luar disebut dengan tegangan lini dan arus lini. Ada beberapa hubungan antara pola koneksi Y dan pola koneksi segitiga, yaitu sebagai berikut :
Untuk pola Y
Untuk pola segitiga
..............................................(10) ..........................................................(11) .......................................................(12) .................................................(13)
dimana :
EL = tegangan line (tegangan antar fasa) (Volt)
EP = tegangan fasa (tegangan fasa ke netral) (Volt)
IL = line current (A) IP = phase current (A)
Gambar II. 7
Line voltage
(http://www.scribd.com/doc/12920427/39/Arus-AC-3-phase)
2.2.13 Voltage Regulator Voltage regulator fungsinya adalah untuk mengatur agar tegangan yang dihasilkan selalu tetap konstan. Prinsip kerja dari voltage regulator adalah jika tegangan yang dihasilkan melebihi yang ditentukan maka arus exciter dikurangi agar fluks magnet berkurang, demikian pula sebaliknya.
2.2.14 Rectifier Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolakbalik (AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Spesifikasi dari suatu rectifier adalah arus mengalir yang melewati rectifier tersebut dan puncak tegang balik
13
rectifier tersebut sebagai contoh suatu rectifier memiliki spesifikasi 1A/50V artinya arus maksimal adalah 1A dan tegangan balik maksimum adalah 50V.
2.3 Teknik Kemagnetan Dalam kehidupan sehari-hari, kita tidak pernah terlepas dari peralatan-
peralatan elektronika. Magnet merupakan bagian tak terpisahkan dari alat-alat elektronik dan teknik kelistrikan, karena tidak sedikit konstruksi alat-alat listrik
tergantung pada magnet. Alat-alat listrik yang menggunakan magnet antara lain dinamo listrik pada sepeda, generator pembangkit tenaga listrik, motor-motor
listrik, dan alat-alat kendali (control) listrik. Hampir pada seluruh peralatan elektronika fenomena kemagnetan mudah kita temui.
2.3.1
Definisi Magnet ialah sejenis logam yang juga dikenali dengan nama besi berani.
Magnet mempunyai kuat medan yang dapat menarik butir-butir besi lain ke arahnya. Perkataan magnet berasal dari bahasa Greek yang berarti
-mula dijumpai di suatu daerah Asia kecil bernama Magnesia. Suatu keunikan yang ada pada magnet ini ialah apabila magnet itu digantung, arah yang ditunjukkannya ialah utara-selatan.
2.3.2
Induksi Magnet Pada suatu titik ada medan magnet bila muatan yang bergerak pada titik
tersebut mengalami gaya magnet. Medan magnet ini dikenal juga sebagai induksi magnet. Induksi magnet dapat dilukiskan sebagai garis-garis yang arah singgungnya pada setiap titik menunjukkan arah vektor induksi magnet di titik-titik tersebut. Induksi magnetik pada batang magnet akan muncul seperti diperlihatkan dalam gambar II.8.
14
Batang Magnet
Dua batang magnet dengan kutub berlawanan didekatkan
Gambar II. 8
Dua batang magnet dengan kutub searah didekatkan
Medan magnet pada batang magnet
(http://www.crayonpedia.org/mw/MEDAN_MAGNET_11.2)
2.3.3
Fluks Magnet dan Kerapatan Fluks Fluks Magnetik () adalah banyaknya jumlah garis-garis gaya dalam
medan magnet, artinya fluks magnetik yang berada pada permukaan yang lebih luas kerapatannya lebih rendah dan kuat medan magnetik lebih lemah, sedangkan pada permukaan yang lebih sempit kerapatan fluks magnet akan kuat dan kuat medan magnetik lebih tinggi.
Gambar II. 9
Fluks Magnet
(http://stefanuswindarhariadi.wordpress.com/2012/03/17/alternator-dasar-mesin-listrik/)
Satu vektor garis gaya sebesar B yang melalui satu luasan kecil invinit dA
sehingga kita dapat merumuskan: .........................................................................(14) .... ..............................................................(15)
15
Jika persamaan integral tersebut diselesaikan untuk bentuk luasan dengan bentuk
geometri yang mudah sehingga dS=dA seperti pada gambar II. 9, maka akan
diperoleh:
.............................................................................. (16)
dimana:
=
Fluks Magnet (Wb)
B
=
Kerapatan fluks magnet (Tesla)
A =
Luas Penampang (m2)
2.3.4
Permeabilitas Permeabilitas (permeability) adalah kemudahan suatu benda untuk dilewati
garis gaya magnet. Permeabilitas dinyatakan dengan simbol
(miu). Benda yang
mudah dilewati garis gaya magnet disebut memiliki permeabilitas tinggi. Permeabilitas udara dan ruang hampa dianggap sama dengan satu. Untuk bendabenda yang lain, besarnya permeabilitas ditentukan dengan perbandingan terhadap udara atau ruang hampa, didapatkan permeabilitas relative. Nilai permeabilitas untuk udara adalah 0 = 4 x 10-7 (H/m) atau 1,26 x 10-6 (H/m). Untuk menghitung
,
nilai permeabilitas relatif
f
harus dikalikan dengan permeabilitas udara
0,
sebagaimana rumus dibawah ini:
................................................................................(17)
dimana: = Permeabilitas suatu benda (H/m)
r o
=
Permeabilitas realatif
=
Permeabilitas udara (H/m)
Ditinjau dari permeabilitas relatifnya, benda-benda dikelompokkan dalam tiga kelompok yaitu: 1. Benda-benda feromagnetik, yang memiliki permeabilitas jauh lebih besar dari 1. Benda-benda yang memiliki permeabilitas tinggi bila terletak di dalam medan magnet, garis-garis gaya magnet cenderung lewat pada benda
16
tersebut. Yang tergolong benda ini antara lain besi, baja, nikel, cobalt,
logam paduan seperti alnico dan permalloy.
2. Benda-benda paramagnetik, yang memiliki permeabilitas sedikit lebih besar dari 1. Yang tergolong benda ini antara lain aluminium, chrom, mangaan
dan platinum.
3. Benda-benda diamagnetik, yang memiliki permeabilitas kurang dari 1. Yang tergolong benda ini antara lain bismuth, antimoni, tembaga, seng,
merkuri, emas dan perak.
2.3.5
Kuat Medan Magnet Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet ialah besar gaya
pada suatu satuan kuat kutub yang menimbulkan medan magnet dalam Amperemeter atau Amper-turn. Kuat medan magnet di suatu titik sebanding dengan rapat garis-garis gaya dan berbanding terbalik dengan permeabilitasnya.
........................................................................................ (18) dimana : B
=
rapat garis-garis gaya (Wb)
=
permeabilitas zat itu (H/m)
H =
2.3.6
kuat medan magnet (T atau Amper-Turn)
Self induction Dalam peristiwa elektromagnet, ketika arus yang melewati sebuah
kumparan berubah arah, medan magnet disekitar dan didalam kumparan juga berubah arahnya. Medan magnet yang berubah ini menimbulkan efek yang persis sama sebagaimana layaknya sebuah magnet yang digerak-gerakkan di dekat kumparan, dengan kata lain, medan magnet ini menginduksikan arus lain pada kumparan. Arus baru yang diinduksikan oleh medan magnet yang berubah tersebut, akan selalu melawan perubahan arus pada kumparan. Efek semacam ini, dimana
17
sebuah kumparan menginduksikan arus pada dirinya sendiri disebut sebagai self induction.
Gambar II. 10 Peristiwa terjadinya elektromagnet, dimana sebuah kumparan diberikan tegangan atau arus listrik.
Gambar II. 11 Peristiwa terjadinya induksi diri, yaitu pada saat tegangan atau arus listrik pada Gambar 1 diputus.
(http://www.elektronikabersama.web.id/2011/06/induksi-diri-self-induction.html)
2.3.7
Mutual Induction Apabila dua buah kumparan didekatkan satu sama lain, dan kumparan
pertama diberi suatu arus sehingga medan magnet pada kumparan tersebut berubahubah, maka pada kumparan ke dua akan terjadi gaya gerak listrik, peristiwa ini disebut dengan mutual induction.
Gambar II. 12 Contoh Mutual Inductance (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/tracir.html)
2.4
Hukum Faraday Hukum induksi faraday menyatakan bahwa tegangan gaya gerak listrik dalam
sebuah rangkaian adalah sama dengan kecepatan perubahan fluks yang melalui rangkaian tersebut.
18
Sebuah baterai akan mengalirkan arus listrik melalui suatu rangkaian tertutup.
Apabila arus listrik mengalir didalam suatu rangkaian maka disekitar arus tersebut
akan timbul fluks magnetik. Kemudian muncul suatu pertanyaan, bagaimana hubungan GGL hasil induksi dengan fluks magnetic? Pertanyaan itulah yang coba
dijawab oleh Michael Faraday. Melalui penelitiannya ia menyimpulkan bahwa -ujung suatu loop penghantar berbanding
lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar mengakibatkan perubahan potensial listrik pada ujung-ujung kumparan kawat
penghantar. Hukum GGL induksi Faraday: Bila suatu magnet permanen digerakkan masuk dan keluar suatu kumparan penghantar maka pada kumparan tersebut akan timbul tegangan listrik (GGL). Secara matematis, hukum faraday dirumuskan sebagai berikut:
.............................................................................(19) !
dimana: "
2.5
=
Emf (Volt)
#$ =
Fluks Magnet (weber)
n
Banyaknya Lilitan/ Jumlah Lilitan
=
Mesin Listrik Pada umumnya mesin listrik dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu mesin
listrik statis dan mesin listrik dinamis. Mesin listrik statis seperti transformator yaitu alat untuk mentransfer energi listrik dari sisi primer ke sekunder dengan perubahan tegangan pada frekuensi yang
sama.
Mesin
listrik dinamis
terdiri
atas motor listrik dan generator. Motor listrik merupakan alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik putaran. Generator merupakan alat untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
19
2.5.1
Transformator Transformator/ Transformer / Trafo (lihat
gambar
II.13) adalah suatu
peralatan listrik yang termasuk dalam klasifikasi mesin listrik statis dan berfungsi menyalurkan tenaga/daya listrik dari tegangan tinggi ke tegangan rendah atau untuk
sebaliknya, dengan frekuensi sama. Dalam pengoperasiannya, transformatortransformator tenaga pada umumnya ditanahkan pada titik netral, sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengamanan atau proteksi.
Dasar
dari
teori
transformator
adalah
sebagai
berikut:
-balik yang mengalir mengelilingi suatu inti besi
maka inti besi itu akan terdapat medan magnit yang berubah-ubah dan apabila magnit tersebut dikelilingi oleh suatu belitan maka pada kedua ujung belitan tersebut akan terjadi beda tegangan mengelilingi magnit, sehingga akan timbul gaya
Gambar II. 13
Transformator
(http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/01/transformator.html)
2.5.2
Motor Listrik Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah
energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik di industri digunakan untuk memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dan lain-lain. Pada peralatan rumah tangga digunakan untuk mixer, bor listrik, kipas angina dan banyak lagi. Motor listrik nya industri, sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.
20
2.5.3
Generator Mesin paling penting yang mengubah dunia gelap menjadi terang
ditemukan oleh Michael Faraday dengan mengubah energi kinetik menjadi energi menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Mesin ini diberi nama listrik
generator. 2.5.3.1 Prinsip Kerja Generator
Generator
menghasilkan
listrik
menggunakan
prinsip
induksi
elektromagnetik.
Gambar II. 14 Prinsip kerja generator (http://www.scribd.com/doc/52828527/mesin-listrik)
Ketika kumparan diputar didalam medan magnet (lihat gambar II.14), satu sisi kumparan (biru) bergerak ke atas sedang sisi lainnya (kuning) bergerak ke bawah. Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang makin sedikit, sehingga pada kedua sisi kumparan mengalir arus listrik mengitari kumparan hingga posisi kumparan vertikal. Pada posisi vertikal kumparan tidak mengalami perubahan garis gaya magnet sehingga tidak ada listrik yang mengalir pada kumparan. Kumparan terus berputar hingga sisi biru bergerak kebawah dan sisi kuning bergerak keatas. Kumparan terus berputar dan mengalami perubahan garis gaya magnet yang semakin sedikit sehingga arus listrik yang mengitari kumparan melemah Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang bertambah banyak, sehingga pada setiap sisi kumpaan mengalir arus listrik yang berlawanan hingga posisi kumparan horizontal.
21
2.5.3.2 Generator AC Generator AC atau Altenator adalah pembangkit listrik yang menghasilkan
arus listrik bolak-balik. Untuk menghindari melilitnya kabel, dipasang dua buah luncur (slip ring). cincin
Gambar II. 15 Generator AC
(http://digilib.petra.ac.id/viewer.php?page=2&submit.x=27&submit.y=20&submit=next&qua l=high&submitval=next&fname=%2Fjiunkpe%2Fs1%2Felkt%2F2008%2Fjiunkpe-ns-s1-200823402072-11020-sepeda_statis-chapter2.pdf)
2.5.3.3 Generator DC Generator DC menghasilkan arus listrik searah. Untuk menghindari melilitnya kabel dan sekaligus menyearahkan arus listrik dipasang komutator (sepasang cincin belah).
Gambar II. 16 Generator DC
2.5.3.4 Bagian-bagian Generator Pada gambarII.17 diperlihatkan bagian dari generator, terdapat rotor dan stator. Rotor adalah bagian generator yang berputar. Stator adalah bagian generator yang diam.
22
Gambar II. 17 Komponen Utama Generator
(http://www.scribd.com/doc/52828527/mesin-listrik)
Komponen utamanya terdiri dari magnet dan kumparan. Agar timbul
tegangan induksi, maka salah satu dari komponen tersebut harus bergerak terhadap yang lain sehingga terjadi perubahan jumlah medan magnet yang dilingkupi oleh kumparan.
2.5.3.5 Output Generator Output generator ditentukan oleh variable-variabel yang diperlihatkan dalam persamaan Induksi Faraday, yaitu: 1. Kuat medan magnet Magnet yang digunakan dalam generator listrik, digolongkan menjadi 2, yaitu: 1. Magnet permanen Magnet permanen digunakan untuk generator daya kecil hingga menengah. Unsur-unsur alam yang digunakan dalam pembuatan magnet antara lain: besi, aluminium, kobal, nikel dan titanium. Kombinasi unsurunsur alam ini menghasilkan berbagai jenis magnet seperti: Alnico, Ticonal, dan rare-magnet earth. Rare-magnet
earth
adalah
magnet
yang
dibuat
dengan
mengkombinaskan unsur samarium, kobal, neodymium, iron, dan boron sehingga dikenal magnet samarium-kobal (SmCo) dan neodimium-iron-boron (NdFeB atau NIB).
23
2. Elektromagnet.
Magnet yang dibuat dengan cara mengeksitasi sebuah kumparan
dengan sumber listrik. Karakteristik dari elektromagnet adalah sifat
kemagnetan tidak terlalu dipengaruhi oleh panas. Bisa dibuat dimana-mana
tanpa adanya kendala bahan. Magnet permanen NIB hanya bisa dibuat kalau
ada tambang rare-earth magnet.
2. Kumparan (jumlah lilitan) Secara sederhana kumparan dibuat dengan melilitkan kawat berisolasi tanpa
inti atau berinti udara. Inti besi ditambahkan untuk memperkuat densitas magnet, mengarahkan fluks magnet. Kemampuan Hantar Arus (KHA) sebagai dasar dalam memilih ukuran kawat yang akan digunakan. Makin besar penampang (A) penghantar makin besar KHA.
Gambar II. 18 Kumparan (www.slideshare.net/ideva/generator-design-2736356)
Inti besi adalah struktur yang terbuat dari lembaran besi yang berisolasi yang disusun sedemikian rupa sehingga fluks magnet bisa diperkuat dan diarahkan. Bentuk dari inti besi disesuaikan dengan desain generator.
3. Kecepatan putar dari rotor (rad/s, RPS, RPM) Sebuah generator biasanya didesain untuk beroperasi pada satu kecepatan saja. Misalnya generator dengan putaran 200, 1500, 2000, 3000 hingga 100000 (RPM) putaran per menit untuk generator berkecepatan tinggi. Generator
24
kecepatan rendah biasanya digunakan dalam PLTA/PLTM sedangkan generator kecepatan tinggi untuk sistem dengan turbin uap atau gas.
Menapa kecepatan harus tinggi ? 1. Karena kecepatan berbanding lurus dengan besarnya induksi tegangan
yang dihasilkan dalam kumparan (Hukum Induksi Faraday).
2. Makin tinggi kecepatan rotor, untuk keluaran tegangan yang sama, generator bisa dibuat lebih kecil.
bahan lebih sedikit
Dimensi kecil
biaya turun,
ruang yang
dibutuhkan untuk instalasi juga makin kecil, transportasi lebih mudah dan
ekonomis. Hubungan antara kecepatan dan frekuensi dalam generator sinkron dinyatakan dalam persamaan:
.................................................................................(20)
dimana : N
=
kecepatan putaran rotor (rpm),
f
=
frekuensi tegangan yang dihasilkan (Hz),
p
=
jumlah kutub dari generator (pole)
2.5.3.6 Komponen Pendukung Dalam sebuah generator praktis, selain komponen utama juga memerlukan komponen penunjang yang harus ada sehingga generator dapat beroperasi dengan ekonomis, handal dan aman. Komponen itu antara lain pendingin dimana pendingin digolongkan menjadi 3, yaitu pendingin udara (cooled forced air cooling) untuk generator kecil sampai 50 MW, Hydrogen cooling untuk generator besar (50-300 MW), dan Hollow, water cooled conductor (1000 MW). Selain itu ada juga sistem pengaman arus, suhu, dll.
25
2.6
ANSYS Maxwell Ansys Maxwell adalah perangkat lunak simulasi medan elektromagnetik
yang komprehensif, biasanya digunakan oleh insinyur untuk merancang dan menganalisa struktur 2D atau 3D seperti motor, aktuator, transformator dan lainnya
serta perangkat listrik dan elektromekanis yang pada umumnya untuk automotive, military/ kedirgantaraan dan sistem industri, dengan menggunakan Finite Element Method (FEM) Maxwell untuk menyelesaikannya.
Pada bagian depan Maxwell terdapat beberapa panel pilihan, dapat dilihat
pada gambar II.19
Gambar II. 19 Bagian-bagian dari Maxwell
Bagian-bagian dari tampilan Maxwell antara lain: 1.
Project Manager yang mana berisi daftar perancangan struktur suatu project. Pada proses perancangan harus mengikuti langkah-langkah yang terdapat pada project Manager.
2.
Message Manager memberikan keterangan mengenai beberapa bagian yang error atau memberikan peringatan sebelum melakukan simulasi.
26
3.
Property Window merupakan tampilan yang memberikan informasi mengenai perubahan parameter atau attribute suatu model.
4.
Progress Window menampilkan progress solusi atau sedang melakukan
proses perintah seperti analisys semua langkah, penyimpanan data dll.
5.
Modeler Window yang mana berisi suatu model yang sedang dirancang atau meja untuk membuat model.
adapun langkah-langkah perancangan dengan menggunakan Maxwell ditunjukan
pada gambar II. 20.
Gambar II. 20 Proses Perancangan
Hal pertama yang harus dilakukan pada proses perancangan menggunakan Maxwell adalah dengan membuat design atau membuat model Solution type atau pemilihan jenis perancangan, pada solution type terdapat beberapa jenis solusi diantaranya untuk magnet terdapat jenis magnetostatis, eddy current, dan transient, sedangkan untuk electric
27
terdapat jenis electrostatic, AC conduction dan DC conduction. Parametic
model terdiri dari boundary yang merupakan batas suatu model untuk
disimulasi. Parametic Model merupakan parameter yang ditentukan sebagai salah satu langkah proses simulasi, dimana pada proses ini diharuskan menentukan
boundary dari model tersebut dan eksitasi yang diutamakan untuk
kumparan.
Analysis merupakan proses analisis yang mana pada analyze secara otomatis dianalysis semua langkah pada proses perancangan apakah sudah sesuai dengan prosedur, jika belum maka akan muncul keterangan pada message manager. Selanjutnya menentukan solve solution pada proses ini lebih dititik beratkan pada penentuan waktu simulasi dari model. Result merupakan hasil dari perancangan yang berbentuk grafik atau tabel.
