Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________
ANALISIS PENGARUH PEMASANGAN KAPASITOR SERI DAN RANGKAIAN PENYEARAH PADA PEMBEBANAN RESISTIF GENERATOR SINKRON MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL PUTARAN RENDAH Emir El Fiqhar1, F. Danang Wijaya2, Harnoko St.3 Abstract—Recently, there are many developments in electric power generator research in Indonesia. But, theinterest of environmental friendly electric power generation is still scarce. This study was conducted to resolve the problem electrical energy crisis by developing a small-size generators using permanent magnets Neodymium Ferrite Boron (NdFeB), which can be utilized as an alternative energy source by utilizing wind or micro-hydro energy in rural area. In the past researches, there are still constraint about the amount of voltage drop on the design of Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Generator, which is has low speed with double rotor and single stator. Moreover, the voltage instability when the prime mover is a windmill also the focus on this research. The installation of serial capacitors and the rectifier installation is the right solution to overcome the existing problem. The test results obtained by that generator capable of generating electricity 50 Hz at 250 rpm and generates voltage of each phase R, S, and T, respectively for 18.25, 18.15, and 18.66 volt and the line voltage is 29,33; 28,87; and 29,31 volt. By varying the frequency value at 20 Hz to 75 Hz obtained phase voltage is 7,35 volt up to 28,06 volt and the line voltage is 11,76 volt up to 44,1 volt. When the resistive load testing, the generator is able to generate 28,99 watt at 50 Hz. By varying the frequency from 30 Hz to 70 Hz, it’s generated power is 3,16 watt up to 57,29 watt. After series capacitor had been installed, voltage drop from the previous test did not show a significant change. It happened because the main factor that dropped the voltage was armature resistance instead of armature reactance. So the capacitor placement in series did not overcome the voltage drop that happened. Keywords—synchronous generators, AFPMSG, permanent magnet, low speed, testing
1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jln. Grafika 2, Kampus UGM Yogyakrata 55281 INDONESIA (tlp:0274-552305; fax:0274-552-305 e-mail:
[email protected]) 2, 3 Dosen, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jln. Grafika 2, Kampus UGM Yogyakarta 55281, INDONESIA (telp: 0274-552305; fax: 0274-552-305; e-mail:
[email protected] ;
[email protected]
Intisari— Penelitian mengenai pembangkitan energi listrik di Indonesia dewasa ini sudah banyak terjadi perkembangan. Namun minat untuk melakukan penelitian tentang pembangkitan yang ramah lingkungan masih sedikit diminati. Penelitian ini mencoba untuk menyelesaikan masalah ini denganmengembangkan generator ukuran kecil dengan menggunakan magnet permanen Neodymium Ferrite Boron (NdFeB) yang nantinya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif dengan memanfaatkan energi angin atau mikrohidro. Pada penelitian sebelumnya, pada perancangan Generator Sinkron dengan jenis Magnet Permanen Fluks Aksial (MPFA)putaran rendah dengan double rotor-single stator, masih menemui kendala pada besarnya drop tegangan. Selain itu ketidakstabilan tegangan saat prime mover berupa kincir angin menjadi juga fokus dalam penelitian ini. Pemasangan kapasitor seri dan pemasangan rangkaian penyearah merupakan solusi yang tepat untuk mengatasi permasalahan yang ada. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa generator mampu menghasilkan listrik 50 Hz pada putaran 250 rpm dan menghasilkan tegangan tiap fase R, S, dan T berturutturut sebesar 18,25; 18,15; dan 18,66 volt dan tegangan saluran sebesar 29,33, 28,87, dan 29,31 volt. Dengan memvariasikan nilai frekuensi dari 20 Hz hingga 75 Hz didapatkan tegangan tiap fase sebesar 7,35 volt hingga 28,06 volt dan tegangan saluran sebesar 11,76 volt hingga 44,1 volt. Pada pengujian berbeban resistif, generator mampu menghasilkan daya total sebesar 28,99 watt pada frekuensi 50 Hz. Dengan memvariasikan frekuensi dari 30 Hz hingga 70 Hz, diperoleh daya total sebesar 3,16 watt hingga 57,29 watt. Setelah dilakukan pemasangan kapasitor seri, jatuh tegangan yang ada pada penelitian sebelumnya tidak mengalami perubahan yang signifikan. Hal tersebut disebabkan oleh karena faktor utama penyebab jatuh tegangan adalah besarnya nilai resistansi jangkar, bukan besarnya nilai reaktansi jangkar. Sehingga pemasangan kapasitor seri tidak dapat mengatasi nilai jatuh tegangan yang ada. Kata Kunci : generator sinkron, magnet permanen, fluks aksial, putaran rendah, penyarahan, pengujian
72 Volume 1 Nomor 2, Juli 2014 _______________________________________________________________________________
Artikel Reguler _____________________________________________________________________________ I. PENDAHULUAN Energi listrik merupakan suatu kebutuhan utama yang sangat dibutuhkan pada zaman modern ini. Jika dilihat dari kebutuhan energi listrik tiap negara, maka semakin maju suatu negara, semakin besar energi listrik yang dibutuhkan. [4]. Kebutuhan Indonesia akan sumber energi alternatif dan energi terbarukan begitu besar. Hal ini disebabkan karena beberapa hal, seperti naiknya kebutuhan energi listrik, tuntutan penggunaan energi yang bersih yang semakin marak, bahan bakar fosil yang keberadaannya semakin langka dan mahal, naiknya biaya pembangunan saluran transmisi, dan naiknya keinginan untuk meningkatkan jaminan pasokan energi. Selain itu, rasio elektrifikasi di Indonesia yang rendah turut meningkatkan keinginan ditemukannya alat yang menggunakan sumber energi alternatif yang mampu diaplikasikan di beberapa tempat yang memiliki potensi untuk energi alternatif tersebut, diantaranya air berskala kecil (mikrohidro) dan angin.[3]. Dalam beberapa tahun terakhir, minat dunia terhadap pengembangan energi mikrohidro dan energi angin cukup besar karena lebih ramah lingkungan. Selain itu, energi alternatif yang memungkinkan untuk dikembangkan di Indonesia adalah energi yang bersumber dari air yang berskala kecil atau yang biasa disebut Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMh) dan sumber energi yang berasal dari angin atau yang biasa disebut Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB). Potensi PLTMh di Indonesia cukup besar melihat letak geografis Indonesia yang terdiri dari pegunungan dan perbukitan, sehingga banyak aliran sungai di dalamnya yang dapat dimanfaatkan untuk pembangunan PLTMh. Sedangkan untuk sumber energi angin, letak geografis Indonesia yang berada di daerah khatulistiwa menyebabkan kecepatan angin tidak terlalu tinggi. II. TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN 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 Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada kumparan jangkar generator sinkron. Tegangan ini biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin.[1]. jjJXL RRa
EEa
Hubungan yang terjadi antara tegangan terminal dengan tegangan Ea adalah:
Ea V I .Ra jI . X L ................................(4) dengan: Ea V Ra XL
= = = =
tegangan keluaran tanpa beban tegangan terminal resistansi jangkar reaktansi induktif
Sehingga saat tanpa beban, besarnya I=0, dan Ea=V. B. Generator Magnet Permanen Pada dasarnya generator magnet permanen dibedakan menjadi 2, yakni generator magnet permanen fluks radial (GMPFR) dan generator magnet permanen fluks aksial (GMPFA).
Gbr.2. Generator Tipe Radial dan Aksial.
Untuk generator tipe radial, arah fluks magnetnya tegak lurus dengan poros, sedangkan untuk tipe aksial, arah fluks magnetnya sejajar dengan poros. C. Rangkaian Penyearah Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Gelombang AC yang berbentuk gelombang sinus hanya dapat dilihat dengan alat ukur CRO. Rangkaian rectifier banyak menggunakan transformator step down yang digunakan untuk menurunkan tegangan sesuai dengan perbandingan transformasi transformator yang digunakan. Penyearah dibedakan menjadi 2 jenis, penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk penyearah gelombang penuh dibedakan menjadi penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT), dan penyearah gelombang penuh dengan menggunakan dioda bridge.[2]. Rangkaian penyearah setengah gelombang ternyata memiliki kelemahan sehingga tidak maksimal untuk digunakan, kelemahannya adalah arus listrik yang mengalir ke beban hanya separuh dari setiap satu siklus.Hal ini akan menyulitkan dalam proses filtering (penghalusan). Untuk mengatasikelemahan ini adalah penyearah gelombang penuh. Rectifier gelombang penuh adalah ekuivalen dengan dua kali rectifier setengah gelombang, sebab center tap masingmasing rectifier mempunyai tegangan masukan yang equal dengan setengah tegangan sekunder.
Gbr.1. Rangkaian Ekivalen Gen. Sinkron
73 Volume 1 Nomor 2, Juli 2014 _______________________________________________________________________________
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________ 3) Pengujian Beban R dengan f Konstan: Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik sebuah generator ketika terjadi pembebanan dengan mengatur Prime Mover agar frekuensi tetap konstan.
III. METODE PENELITIAN A. Diagram Alir Pengujian Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gbr. 4 seperti berikut : Mulai
Persiapan dan perangkaian alat uji
Perbandingan belitan stator lingkaran tanpa inti dan belitan stator segi enam tanpa inti
Perbandingan stator tanpa inti dan generator dengan inti
Pengujian
Pengujian Berbeban
Pengujian Beban Nol
Frekuensi Konstan
Penggerak mula konstan
Pengumpulan data
Pengolaha n dan analisis data
Pembuatan laporan pengujian
5) Penambahan Kapasitor dan Rectifier pada Pengujian Beban R : Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik tegangan keluaran generator setelah dipasang kapasitor dan disearahkan oleh rectifier. 6) Penambahan Kapasitor dan Rectifier pada Pengujian Beban R dengan f Konstan : Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik sebuah generator ketika terjadi pembebanan dengan mengatur Prime Mover agar frekuensi tetap konstan setelah dipasang kapasitor dan disearahkan oleh rectifier. IV.HASIL DAN PEMBAHASAN Beberapa data yang diambil dalam pengujian ini adalah kecepatan putar rotor, frekuensi listrik keluaran generator, tegangan keluaran generator, arus jangkar generator, daya keluaran generator. Disini dilakukan enam jenis pengujian yaitu pengujian tanpa beban,pengujian berbeban resitif, pengujian berbeban resistif frekuensi konstan, serta penambahan kapsitor dan rectifier pada pengujian tanpa beban, berbeban resistif, dan berbeban resistif frekuensi konstan. 1) Pengujian Tanpa Beban: Pada pengujian ini akan ditampilkan dalam bentuk grafik hasil dari pengujian generator saat generator tanpa beban. 30 25
Tegangan (V)
Gbr.3. Rangkaian dan Gelombang Masukan dan Keluaran Penyearah Tiga Fase Gelombang Penuh
4) Penambahan Kapasitor dan Rectifier pada Pengujian Tanpa Beban : Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik tegangan keluaran generator setelah dipasang kapasitor dan disearahkan oleh rectifier, terhadap besarnya frekuensi listrik yang diputar oleh penggerak mula generator.
20
Fase R
15 10
Fase S
5 0 0
Selesai
Gbr.4. Diagram Alir Pengujian Generator Sinkron Fluks Aksial Magnet Permanen
B. Metode Pengujian 1) Pengujian Tanpa Beban: Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik tegangan keluaran generator terhadap besarnya frekuensi listrik yang diputar oleh penggerak mula generator.
50 100 Frekuensi (Hz) Gbr 5. Hubungan Frekuensi dan Tegangan pada Pengujian Tanpa Beban.
Dari grafik tersebut terjadi linearitas antara besarnya frekuensi dengan tegangan keluaran sebagaimana teori bahwa besarnya tegangan adalah sebanding dengan frekuensi. Hal ini sudah sesuai teori, dalam grafik juga terjadi hubungan yang linear. Berikut merupakan gambar gelombang untuk fase R pada frekuensi 50 Hz.
2) Pengujian Beban R: Pada pengujian ini, akan dilihat karakteristik sebuah generator ketika terjadi pembebanan tanpa mengatur Prime Mover.
74 Volume 1 Nomor 2, Juli 2014 _______________________________________________________________________________
Artikel Reguler _____________________________________________________________________________
Bentuk gelombang tegangan keluaran generator pada frekuensi 50 Hz.
Pada gambar 9 terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan keluaran generator tidak sinusoidal sempurna. Hal ini dikarenakan bentuk koil dari generator [5]. 2) Pengujian Beban R: Pada pengujian ini beban divariasi,dari nilai beban resistifnya. Dari nilai beban tersebut, didapat grafik hubungan arus dan tegangan sebagai berikut:
Tegangan (V, Daya (W)
20 15
Fase R Fase S Fase T
10 5
Tegangan (V)
Gbr. 6.
4) Penambahan Kapasitor dan Rectifier pada Pengujian Tanpa Beban : Pengujian ini bertujuan untuk melihat karakteristik pengaruh perubahan kecepatan putar rotor terhadap frekuensi keluaran generator, serta karakteristik pengaruh perubahan frekuensi terhadap tegangan keluaran generator dalam keadaan tanpa beban. Secara teoritis bahwa perubahan putaran generator atau frekuensi listriknya akan berbanding lurus dengan tegangan yang dihasilkan oleh jangkar. Disamping itu pengujian ini juga untuk melihat nilai tegangan keluaran (Eo) dan membandingkan dengan perhitungan rancangan awal. Generator dirancang menjadi generator 3 fase yang dihubung bintang. Pada pengujian ini juga ditambahkan enam kapasitor masing-masing 47 uF yang dirangkai secara paralel yang kemudian dirangkai seri dengan keluaran generator dan variable resistance dengan tujuan untuk mengurangi drop tegangan karena penambahan beban. Kemudian juga ditambahkan rangkaian penyearah (rectifier) untuk membuat tegangan keluaran yang semula bolak-balik (AC), menjadi searah (DC).
0 0
100
200
Arus (mA) Gbr.7. Arus-Tegangan pada Pengujian Beban Resistif,
Dari gambar 7 terlihat bahwa penurunan tegangan sangat signifikan karena pada pengujian ini frekuensi tidak dijaga konstan. Sehingga semakin beban bertambah, maka putaran akan semakin melambat. Melambatnya putaran akan mempengaruhi nilai tegangan keluaran.
80 60 40 20 0 0
25
50
75
100
Frekuensi (Hz) Gbr.9. Grafik Hubungan antara Perubahan Frekuensi dengan Tegangan Keluaran Generator setelah Pemasangan Rectifier dan Kapasitor
Tegangan (V), Daya (W)
3) Pengujian Beban R dengan f Konstan:Pada pengujian ini hampir sama dengan pengujian sebelumnya hanya saja pada pengujian ini frekuensi generator dibuat konstan dengan cara menjaga konstan kecepatan putar penggerak utama. Dari pengujian ini dapat dibuat grafiknya sebagai berikut:
20 15
Tegangan Fase R
10
Tegangan Fase S
5
Tegangan Fase T
0 0
500
Arus (mA)
1000
Gbr.8. Arus-Tegangan Beban R Frek Konstan 50 Hz
Pada gambar 8 terlihat bahwa penurunan nilai tegangan tidak terlalu signifikan karena pada pengujian ini frekuensi dijaga konstan .
Gbr.10.
Gelombang Tegangan Keluaran pada frekuensi 50 Hz setelah Pemasangan Rectifier dan Kapasitor
5) Penambahan Kapasitor dan Rectifier pada Pengujian Beban R :Pengujian dilakukan pengujian terhadap generator sinkron putaran rendah dalam berbagai variasi nilai pembebanan. Pembebanan dapat diatur-atur dengan mengatur besarnya tahanan melalui varible resistance. Variable resistance ini diatur sedemikian rupa sehingga variasi pembebanan dapat dilakukan. Pada pengujian ini akan diberikan lima variasi frekuensi acuan yaitu 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz dan 70 Hz. Pada percobaan ini kecepatan putar rotor tidak dibuat konstan, sehingga frekuensi
75 Volume 1 Nomor 2, Juli 2014 _______________________________________________________________________________
Tegangan (V, Daya (W))
generator akan berubah mengikuti perubahan beban. Pada keadaan nyata, putaran rotor generator mikrohidro maupun angin tidaklah konstan, bisa berubah-ubah menurut besarnya putaran turbin, dan mengikuti perubahan nilai bebannya. Sehingga percobaan ini bisa berguna untuk melihat karakteristik generator ini pada frekuensi yang tidak konstan. Pada percobaan akan dibandingkan nilai arus keluaran generator terhadap frekuensi, tegangan dan daya. Pada pengujian ini juga ditambahkan enam kapasitor masing-masing 47 uF yang dirangkai secara paralel yang kemudian dirangkai seri dengan keluaran generator dan variable resistance dengan tujuan untuk mengurangi drop tegangan karena penambahan beban. Kemudian juga ditambahkan rangkaian penyearah (rectifier) untuk membuat tegangan keluaran yang semula bolak-balik (AC), menjadi searah (DC).
Tegangan (V),
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Arus (mA) Gbr.12. Grafik Hubungan Arus dan Tegangan pada Percobaan Generator dengan Beban Resistif dengan Frekuensi Konstan setelah Pemasangan Rectifier dan Kapasitor
1.
40 30
2.
20 10 0 0
100
200
300
3.
Arus (mA) Gbr.11.
Grafik Hubungan Arus dan Tegangan pada Pengujian Generator dengan Beban Resistif setelah Pemasangan Rectifier dan Kapasitor
6) Penambahan Kapasitor dan Rectifier pada Pengujian Beban R dengan f Konstan : Pengujian dilakukan pengujian terhadap generator sinkron putaran rendah dalam berbagai variasi nilai pembebanan. Pembebanan dapat diatur-atur dengan mengatur besarnya tahanan melalui varible resistance. Variable resistance ini diatur sedemikian rupa sehingga variasi pembebanan dapat dilakukan. Pada pengujian ini akan diberikan lima variasi frekuensi acuan yaitu 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz dan 70 Hz. Hambatan yang digunakan berasal dari variable resistance yang diatur sedemikian rupa sehingga mendapatkan nilai R sesuai dengan yang diinginkan. Variable resistance memiliki nilai R maksimal sebesar ±1,8 KΩ dengan nilai maksimal arus sebesar 1 Ampere. Selain itu, pada pengujian ini dilakukan penambahan rangkaian penyearah 3 fase gelombang penuh untuk membuat keluaran generator menjadi searah (DC). Pada pengujian ini juga ditambahkan enam kapasitor masing-masing 47 uF yang dirangkai secara paralel yang kemudian dirangkai seri dengan keluaran generator dan variable resistance dengan tujuan untuk mengurangi drop tegangan akibat fluks bocor.
50 40 30 20 10 0
4.
V. KESIMPULAN Bentuk gelombang keluaran generator pada pengujian tanpa beban bukan merupakan gelombang sinus sempurna karena disebabkan oleh bentuk koil. Pada pengujian berbeban resistif, semakin bertambahnya beban maka kecepatan putar dan tegangan generator semakin menurun. Penurunan tegangan sangat signifikan karena kecepatan generator tidak dijaga konstan. Pemasangan rangkaian penyearah dapat membuat tegangan DC keluaran mempunyai regulasi tegangan yang lebih baik. Pemasangan kapasitor secara seri pada keluaran generator untuk mengurangi nilai jatuh tegangan tidak terpenuhi dikarenakan faktor yang membuat jatuh tegangan bernilai besar adalah resistansi jangkar, sehingga tidak dapat diatasi dengan pemasangan kapasitor. REFERENSI
[1]
[2]
[3]
[4]
Bumby, J. R., Stannard, N., Dominy, J., McLeod, N.2008. A Permanent Magnet Generator for Small Scale Wind and Water Turbines. School of Engineering Durham University. UK. Kurniawan, Anandita Willy. 2010. Pengujian Karakteristik Generator putaran rendah axial fluks permanen magnet (MPFA). Skripsi S1, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi FT UGM. Tidak Dipublikasikan. Rossouw,Francois Gerhardus. 2009. Analysis and Design of Axial Flux Permanent Magnet Wind Generator System for Direct Battery Charging Applications.Department of Electrical & Electronic Engineering Stellenbosch University, South Africa. Spring. 2010. Axial-Flux Wind Turbine for Rural Alaska. UAF Wind Team.
76 Volume 1 Nomor 2, Juli 2014 _______________________________________________________________________________
