PERANCANGAN ELEMENTER GENERATOR AXIAL TIPE ROTOR GANDA Satria Putra Mahasiswa Teknik Elektro, FT, UMRAH,
[email protected] Ibnu Kahfi Bachtiar Dosen Pembimbing, Teknik Elektro, FT UMRAH,
[email protected]
ABSTRAK Pengembangan teknologi sistem elektromekanik turbin angin dilakukan dengan tujuan menciptakan pembangkit listrik energi angin yang dapat menghasilkan daya yang maksimal pada kecepatan angin rendah. Sistem elektromekanik yang banyak digunakan adalah generator fluks axial tipe rotor ganda. Oleh sebab itu, peneliti melakukan analisis terhadap output yang dihasilkan oleh rancangan elementer generator axial tipe rotor ganda. Perancangan generator axial tipe rotor ganda dilakukan berdasarkan observasi pada penelitian – penelitian terdahulu. Konstruksi generator axial tipe rotor ganda memiliki 3 bagian utama yaitu rotor, stator dan celah udara (air gap). Rancang rotor yang digunakan memiliki jumlah 12 magnet permanen Neodynium-Iron-Boron (NdFeB) pada setiap rotornya. Rancangan stator memiliki 12 kumparan dengan 150 lilitan pada setiap kumparannya, sedangkan panjang celah udara yang digunakan ± 10 mm. Pengujian generator dilakukan pada kecepatan rotasi 50 rpm, 100 rpm, 150 rpm, 200 rpm dan 250 rpm. Pengambilan data dilakukan dengan cara perhitungan dan pengukuran langsung sebanyak 5 kali pada generator. Perhitungan kesalahan data menggunakan metode standar deviasi dan persentase kesalahan. Berdasarkan data yang diperoleh menunjukan setiap kenaikan 50 rpm menghasilkan 5 Hz, 110 mV dan 3 mA. Grafik dan persamaan linier dari masing – masing data output menjadi dasar karakterisasi generator axial yang telah dirancang. Kata kunci : generator axial, kecepatan rotasi, fluks magnet
I. PENDAHULUAN
Peningkatan
A. Latar Belakang
diperkirakan akan terus terjadi pada setiap
Setiap
tahun
kebutuhan
energi
jumlah
energi
listrik
tahunnya.
listrik di Indonesia selalu saja meningkat.
Peningkatan
kebutuhan
energi
Data statistik PLN tahun 2013 menunjukan
listrik akan berdampak pada peningkatan
bahwa
di
kebutuhan energi konvensioanal. Dalam hal
Indonesia yang diproduksi sendiri (termasuk
ini, persediaan energi konvensioanal yang
sewa) sebesar 163.966 GWh meningkat
ada akan berkurang dan tidak menutup
9,49% dibandingkan tahun sebelumnya,
kemungkinan
sedangkan total pemakaian energi listrik di
Berdasarkan data statistik OPEC Annual
Indonesia sebesar 187.541 GWh meningkat
statistical
7,79% dibandingkan tahun sebelumnya.
mengalami penurunan persediaan minyak
Beban puncak yang terjadi pada tahun 2013
bumi sekitar 10,9% dari tahun 2012 ke 2013.
mencapai 30.834 MW, meningkat 6,76%
Minyak bumi yang diproduksi dari tahun
dibandingkan
2009
jumlah
total
energi
tahun
listrik
sebelumnya.
1
–
akan
terjadi
Report
2013
dapat
2014,
kelangkaan.
Indonesia
dikatakan
tidak
seimbang, bahkan menunjukan penurunan
angin yang ada yaitu pengembangan yang
produksi sebesar 6,8%.
dilakukan pada sistem teknologi turbin
Solulsi
yang
didapat
dari
angin. Salah satu bagian yang memiliki
permasalahan peningkatan kebutuhan energi
pengaruh besar pada turbin angin dalam
listrik yang terjadi ialah pemanfaatan energi
menghasilkan energi listrik yaitu sistem
terbarukan (renewable). Pembangkit listrik
elektromekanik yang digunakan. Salah satu
dengan memanfaatkan energi alam dapat
tipe generator yang digunakan untuk turbin
digunakan untuk membantu pasokan energi
angin
listrik yang terus meningkat, salah satunya
generator sinkron axial tipe rotor ganda.
yaitu pembangkit listrik tenaga angin.
B. Perumusan Masalah
dengan
putaran
rendah
adalah
Berdasarkan data dari World Wind Energy
Adapun perumusan masalah yang
Association tahun 2014, lebih dari 336 GW
dapat disimpulkan dari penjabaran latar
kapasitas energi angin yang telah terpasang
belakang tersebut ialah :
di seluruh dunia. Kapasitas energi yang
a.
dihasilkan juga mengalami peningkatan
axial tipe rotor ganda.
setiap tahunnya yaitu sekitar 7%.
b.
Hal ini membuktikan pemanfaatan
Pemanfaatan
energi
angin
Proses pengolahan data output yang dihasilkan oleh generator axial.
energi angin di dunia cukup berkembang pesat.
Perancangan konstruksi generator
c.
di
Pengkarakterisasian generator axial yang telah dirancang.
Indonesia sendiri masih terbilang minim,
C. Batasan Masalah
berdasarkan data dari Departemen Energi
Penelitian ini memiliki beberapa
dan Sumber Daya Mineral (ESDM) tahun
batasan masalah sebagai berikut :
2012 total kapasitas terpasang dalam sistem
a.
Penelitian tidak mencakup bagian
konversi energi angin sekitar 900 kW.
turbin angin lainnya, seperti baling
Pengambilan contoh salah satu wilayah di
– baling, inverter dan BCCU.
Indonesia
yaitu
Kepulauan
Riau
bisa
b.
Penelitian
yang
dilakukan
dikatakan nihil dalam pemanfaatan energi
mengenai generator axial tipe rotor
angin. Berdasarkan data kecepatan angin
ganda.
dari Badan Meteorologi Klimatilogi dan Geofisika
Tanjungpinang
tahun
c.
2014,
Tidak ada penentuan kapasiatas output
wilayah Kepulauan Riau memiliki rata – rata
yang
dihasilkan
oleh
generator.
kecepatan angin sekitar 3 – 6 m/s. Kecepatan
D. Tujuan Penelitian
angin tersebut dapat dikategorikan pada
Tujuan dari penelitian ini yaitu :
kecepatan angin rendah menurut skala
a.
beaufort.
Merancang
konstruksi
generator
axial tipe rotor ganda. Salah satu solusi yang ditemukan
b.
dari permasalahan kecilnya sumber energi
Memperoleh spesifikasi data output yang dihasilkan.
2
c.
Mengkarakterisai generator axial yang telah dirancang.
E. Manfaat Penelitian Manfaat
yang
diharapkan
dari Gambar 1. Tipe kumparan overlapping (kiri) dan non-overlapping (kanan) (Sumber: Rossouw, 2009)
penelitian yang dilakukan antara lain : 1
Pemanfaatan
energi
angin
kecepatan rendah secara maksimal. 2
Membantu
dalam
Perancangan
penghematan
Pengembangan
pertama yaitu trapezoidal yang mempunyai
teknologi
dalam
flux
pemanfaatan energi terbarukan. II.
PRINSIP
DASAR
kumparan
terdiri dari 4 jenis bentuk kumparan. Bentuk
energi konvesional. 3
bentuk
GENERATOR
linkage
yang
maksimum
tetapi
membutuhkan
ujung
sambungan
yang
panjang. Bentuk kedua yaitu rectangular /
SINKRON AXIAL
rhomboidal
A. Konstruksi Generator Sinkron Axial
sambungan yang lebih pendek namum
Konstruksi generator sinkron axial
yaitu
memiliki
ujung
kemampuan flux linkage yang lebih kecil.
terdiri dari 3 bagian utama yaitu rotor, stator
Adapun
dan celah udara (air gap). Ketiga bagian
trapezoidal dan rectangular yaitu hexagonal
konstruksi tersebut memiliki diameter yang
dan bentuk yang terakhir yaitu cicular yang
melebar
tidak memiliki sudut sama sekali (Prisandi,
untuk
memperbesar
daya
keluarannya (Prisandi, 2011).
gabungan
dari
kedua
bentuk
2011).
1. Stator Pada dasarnya stator merupakan tempat penginduksian medan magnet terjadi. Rancangan stator tanpa inti besi biasanya digunakan pada generator putaran dan torsi beban yang rendah. Hal ini disebabkan tidak adanya inti besi pada kumparan. Keunggulan yang diperoleh yakni dapat meminimalisir Gambar 2. Bentuk – bentuk kumparan stator (Sumber: Husum, 2008)
rugi – rugi fluks magnet yang terjadi karena efek tarik – menarik antara inti besi dengan
2. Rotor
magnet permanen yang disebut dengan efek
Rotor terdiri dari 2 komponen
coging torque (Sofian, 2011).
utama yaitu magnet permanen dan tatakan
Pada stator tanpa inti besi susunan
penyangga magnet permanen (yoke). Rotor
kumparannya terbagi menjadi 2 jenis, yaitu tersusun
secara
overlapping
dan
pada generator axial tidak memerlukan arus
non-
eksitasi dari luar dikarenakan medan magnet
overlapping.
yang
dihasilkan
berasal
permanen (Atmojo, 2011).
3
dari
magnet
Neodynium-iron-boron
(NdFeB)
magnetik yang berubah terhadap waktu
menjadi jenis magnet yang paling baik
maka pada simpul atau kumparan kawat
dibandingkan dengan jenis lainnya. Terdapat
konduktor tersebut akan timbul gaya gerak
dua cara penempatan magnet permanen pada
listrik induksi dan arus induksi. Proses itu
tatakan penyangga, yaitu surface mounted
sendiri disebut sebagai induksi magnetik
dan embedded.
(Tipler, 2001). 1. Fluks Magnetik Fluks magnetik berkaitan dengan jumlah garis medan magnet yang melewati luasan yang diketahui. Dalam hal ini, fluks magnet (Φm) didefinisikan sebagai perkalian
Gambar 3. Surface mounted (kiri) dan (kanan) embedded (Sumber: Rossouw, 2009)
medan magnetik B dengan luasan A yang dibatasi oleh rangkaiannya. Jika garis – garis
3. Celah Udara (Air Gap) pada
medan magnet melewati suatu luasan yang
generator axial merupakan jarak antara rotor
terdiri atas sebuah kumparan dengan jumlah
dan stator. Celah udara (air gap) juga
N lilitan, maka besar fluks magnet yang
menjadi tempat perpindahan medan magnet
dihasilkan yaitu sebesar (Tipler, 2001) :
Celah
udara
(air
gap)
Φm = N.B.A
melewati kumparan pada stator sehingga
(1)
menghasilkan nilai fluks magnet yang
Dimana :
mempengaruhi
Φm
= Fluks magnet (weber)
N
= Jumlah lilitan pada kumparan
A
= Luas penampang (meter)
tegangan
induksi
pada
kumparan (Atmojo, 2011).
Perhitungan fluks magnet yang terdiri dari beberapa kumparan dan magnet permanen yang saling terhubung sebagai berikut (Nurhadi, 2012) : Bmax = Br .
(2)
Dimana : Gambar 4. Variabel air gap (Sumber: Mahmoudi et al., 2011) B. Prinsip Kerja Generator Sinkron Axial
Bmax
= Medan magnet maksimal (tesla)
Br
= Madan magnet relatif (tesla)
lm
= Tinggi magnet (meter) = Panjang celah udara (meter)
Hukum Faraday menjadi dasar dari prinsip kerja generator dalam mengkonversi
Amagnet=
–
–
–
energi mekanik menjadi energi listrik.
Dimana :
Penelitian Faraday dan Henry membuktikan
Amagnet = Luasan medan magnet (m2)
bahwa jika sebuah simpul atau kumparan kawat
kondukor
dilewati
oleh
= Konstanta (3.14)
fluks
4
(3)
ro
= Radius luar magnet (meter)
dihasilkan.
ri
= Radius dalam magnet (meter)
keseluruhan
= Jarak antar magnet (meter)
dihasilkan
= Jumlah magnet
menggunakan rumus sebagai berikut (Tipler,
f Nm
Φmax = Amagnet . Bmax
= Nilai fluks maksimal yang akan
suatu
induksi
yang
generator
dapat
EA
2. Putaran Rotor Generator sinkron axial dirancang untuk beroperasi pada putaran rotor yang rendah, yaitu pada kecepatan < 1000 rpm. Kecepatan putaran rotor tidak mempengarui besarnya nilai maksimun pada fluks magnet,
induksi
yang
N
= Jumlah lilitan per kumparan
f
= Frekuensi (Herz)
Φmax
= Fluks magnet (Weber)
Ns
= Jumlah kumparan
Nph
= Jumlah phasa
III.
PERANCANGAN
A.
dihasilkan
GENERATOR
Rancangan
Konstruksi
Generator
Axial
(Budiman et al., 2013 dan Prisandi, 2011). f=
Tegangan
AXIAL TIPE ROTOR GANDA
tetapi kecepatan putaran rotor berpengaruh yang
=
dihasilkan (Volt)
= Medan magnet maksimal (tesla)
frekuensi
(7)
Dimana :
Amagnet = Luasan medan magnet (meter2)
terhadap
tegangan
total
EA = 4,44 . N . f . Φmax .
diinduksikan (Wb)
Bmax
memperhitungkan
2001 dan Nurhadi, 2012) :
(4)
Dimana : Φmax
Jika
1. Rancangan Stator
(5)
Stator
yang
akan
dirancang
Dimana :
merupakan jenis stator yang tidak memiliki
f
= Frekuensi yang dihasilkan (Hz)
inti besi pada kumparan. Hal ini mengacu
P
=Jumlah kutub magnet pada rotor
pada referensi yang menyatakan jenis stator
n
= Kecepatan putaran rotor (rpm)
tanpa inti besi lebih sesuai dengan generator
3. Daya Keluaran Generator Axial Besar
tegangan
induksi
axial yang
putaran
rendah
2011),
sehingga konstruksi pada stator hanya terdiri
dihasilkan dalam satu kumparan sebagai
dari
berikut :
penyangga (yoke).
kumparan
konduktor
Tabel 1. Ukuran stator No. Keteranagn
(6) Dimana : = Tegangan induksi (volt) N
(Sofian,
dan
tatakan
Ukuran
1.
Diamater stator
280 mm
2.
Ketebalan stator
15 mm
= Jumlah lilitan Stator dengan ukuran diameter 28
= Perubahan fluks magnet terhadap
cm dapat memuat 12 kumparan berbentuk
satuan waktu (Wb/s) Tanda
negatif
pada
trapezoidal secara maksimal dengan ukuran
rumus
berkenaan dengan arah tegangan induksi
5
kumparan yang disesuaikan dan memiliki
fiberglass sebagai pengganti inti besi pada
150 lilitan per kumparan.
kumparan.
Tabel 2. Ukuran kumparan No.
Simbol
1.
wso
2.
wsi
3.
wco
4.
wci
5. 6.
pk tk
Keterangan Lebar bagian luar Lebar bagian dalam Lebar lubang bagian luar Lebar lubang bagian dalam Panjang Tebal
Ukuran 50 mm 15 mm 30 mm 5 mm Gambar 7. Stator hasil rancangan
70 mm 10 mm
Tabel 3. Ukuran jari – jari stator No. Simbol Keterangan Ukuran Jari – jari 1. rco lubang stator 105 mm bagian luar Jari – jari 2. rci lubang stator 55 mm bagian dalam Jari – jari 3. rso bagian luar 115 mm stator Jari – jari 4. rsi bagian dalam 45 mm stator
Gambar 5. Skematik ukuran kumparan Kumparan yang dirancang memiliki tipe
non-overlapping
yang
bertujuan
2. Rancangan Rotor dan Celah Udara
memaksimalkan induksi medan magnet pada
Rancangan
ukuran
rotor
dapat
kumparan dan menghindari penambahan
disesuaikan dengan ukuran stator, dimana
ketebalan pada stator (Rossouw, 2009).
magnet
permanen
saling
berhadapan
ditengah – tengah sisi depan dan belakang kumparan. Bahan yang digunakan sebagai tatakan penyangga rotor yaitu besi (Fe), sehingga magnet dapat diletakan pada tatakan penyangga tanpa harus menanam magnet permanen tersebut. Tabel 4. Ukuran yoke rotor No. Gambar 6. Skematik ukuran kumparan dengan stator Untuk penentuan bahan tatakan penyangga yang ditinjau dari beberapa referensi dapat digunakan minyak resin
6
Keteranagn
Ukuran
1.
Diamater
210 mm
2.
Ketebalan
2,5 mm
Jenis magnet permanen yang akan
NS yang bertujuan untuk memperbasar nilai
digunakan dalam perancangan rotor tersebut
kerapatan fluks magnet diantara kedua rotor.
adalah jenis magnet permanen neodyniumiron-boron (NdFeB). Magnet permanen jenis ini memiliki nilai medan magnet dan kerapatan fluks magnet yang lebih besar dibandingkan
jenis
magnet
permanen
lainnya yaitu sebasar 1,2 tesla. Penggunaan jenis magnet permanen neodynium-ironboron (NdFeB) bertujuan untuk memperoleh
Gambar 9. Skematik rancangan rotor
nilai fluks magnet yang maksimal sehingga memperoleh
tegangan
maksimal.
Penentuan
permanen
yang
induksi ukuran
digunakan
yang magnet
berdasarkan
kemampuan peneliti dalam memperoleh magnet permanen tersebut.
Gambar 10. Hasil rancangan rotor ganda Tabel 6. Ukuran jari – jari rotor No.
Simbol
1.
ryo
2.
ryi
Gambar 8. Magnet permanen neodynium-iron-boron (NdFeB)
3.
ro
Tabel 5. Ukuran magnet permanen No. Simbol Keterangan Ukuran
4.
ri
1.
pm
Panjang
30 mm
2.
lm
Lebar
25 mm
3.
tm
Tinggi
5 mm
Keterangan Jari – jari bagian luar yoke rotor Jari – jari bagian dalam yoke rotor Jari – jari bagian luar magnet Jari – jari bagian dalam magnet
Ukuran 105 mm 8,5 mm 100 mm 70 mm
Celah udara (air gap) yang akan dirancang pada stator dan rotor memiliki panjang ± 10 mm. 3. Perakitan Konstruksi Generator Axial
Rancangan rotor menggunakan 12
Perakitan stator dan rotor dilakukan
kutub magnet disetiap sisi bagian dalam
menggunakan batang besi stenlis berbentuk
rotor
jumlah
slinder dengan diameter 17 mm dan panjang
kumparan dan magnet permanen yang
200 mm sebagai penghubung diantara
maksimum
nilai
keduanya. Pengelasan dilakukan pada rotor
yang
dan batang besi sedangkan stator diberi
dihasilkan. Kombinasi pemasangan antara
bearing pada tengah stator agar stator tidak
kutub magnet dilakukan sesuai dengan tipe
ikut berputar pada saat rotor berputar. Untuk
tersebut.
frekuensi
Perancangan
akan dan
memperbesar
tegangan
induksi
kedudukan berdirinya generator dirancang
7
menggunakan besi padat yang terdiri dari 2 kaki belakang dan 1 kaki depan dengan ukuran yang disesuaikan. Kedudukan ini juga bertujuan untuk menahan stator agar tidak ikut berputar pada saat generator dioperasikan. Gambar 12. Simulasi generator axial secara manual Peralatan simulasi lainnya yang akan digunakan yaitu berupa alat ukur seperti
tachometer,
multimeter
dan
osiloskop. Tachometer digunakan sebagai Gambar 11. Hasil rancanngan generator axial tipe rotor ganda B.
Perancangan
Simulasi
pengukur
kecepatan
rotasi
rotor
pada
generator axial, pengukuran dilakukan pada
Pengujian
shaft
Generator Axial
generator
axial
yang
berputar.
Multimeter digunakan sebagai pengukur
Pengujian generator axial yang telah dirancang diperlukan simulasi untuk mengoperasikan generator axial tersebut.
tegangan
dan
arus
osiloskop
digunakan
efektif,
sedangkan
sebagai
pengukur
frekuensi dan tegangan maksimal.
Hal ini dikarenakan perancangan generator axial tidak mengikutsertakan perancangan baling – baling pada turbin angin. Peralatan simulasi
yang
akan
digunakan
untuk
mengoperasikan generator axial tersebut yaitu melakukan putaran secara manual. Skala kecepatan rotasi yang akan diterapkan pada pengujian generator axial berada diantara 50 rpm, 100 rpm, 150 rpm, 200 rpm
Gambar 13. Peralatan pengujian generator axial
dan 250 rpm.
C. Metode Pengolahan Data Adapun metode yang digunakan
1. Peralatan Pengujian Generator Axial
dalam pengolahan data sebagai berikut :
Peralatan simulasi yang digunakan untuk
pengoperasian
secara
1.
manual
Persentase kesalahan
menggunakan besi berbentuk siku yang
Persentase
dihubungkan pada shaft generator sebagai
perbedaan diantara 2 nilai yang salah
pegangan
satunya
dalam
memutar
rotor.
Pada
kesalahan
menjadi
acuan.
merupakan
Adapun
simulasi ini generator axial hanya beroperasi
persamaan yang dapat digunakan untuk
pada kecepatan rotasi yang telah ditetapkan.
mencari persentase kesalahan yaitu :
8
PK = 2.
Penelitian dilakukan di laboratorium Jurusan
. 100%
Teknik Elektro, Universitas Maritim Raja
Standar deviasi
Ali Haji. Metode penelitian yang dilakukan
Standar deviasi merupakan nilai suatu
berdasarkan hasil obervasi penelitian –
ukuran yang menggambarkan tingkat
penelitian
penyebaran data dari nilai rata-rata.
IV.
didapat maka semakin akurat nilai yang
tinjauan
ke
PENGUMPULAN
DATA
DAN
ANALISIS
diperoleh. Adapun persamaan yang
A. Analisis Frekuensi yang Dihasilkan
nilai
1.
standar deviasi yaitu : ∑
dan
lapangan.
Semakin kecil nilai standar deviasi yang
dapat digunakan untuk mencari
terdahulu
Perhitungan
dan
Pengukuran
Frekuensi ̅
Perhitungan nilai frekuensi dapat dilakukan
√
menggunakan
persamaan
(5)
sesuai dengan penjabaran landasan teori. √ S
Adapun
salah
satu
perhitungan
nilai
= Nilai variansi
frekuensi pada kecepatan rotasi rotor 50 rpm
= Nilai SD
sebagai berikut :
= Standar eror
f =
C. Proses Kerja Penelitian
= = 5 Hz Setelah
melakukan
perhitungan
pada setiap skala kecepatan rotasi rotor, dilakukan
pengukuran
nilai
frekuensi
menggunakan osiloskop sebanyak 5 kali pengukuran. Hasil dari 5 kali pengukuran tersebut dirata – ratakan sehingga diperoleh nilai frekuensi berdasarkan pengukuran. Adapun hasil perhitungan dan pengukuran nilai frekuensi ditampilkan pada tabel 7. Tabel 7. Data frekuensi yang diperoleh Kec. Nilai Frekuensi (Hz) Rotasi No. Berdasarkan Berdasarkan Rotor Perhitungan Pengukuan (rpm) 1. 50 5 < 10 2. 100 10 10,76 16,04 3. 150 15 21,32 4. 200 20 25,82 5. 250 25
Gambar 14. Flowchart proses kerja Penelitian Proses kerja penelitian dilakukan bedasarkan flowchart yang telah disusun.
9
yang mempengaruhi nilai frekuensi yang
2. Perbandingan Nilai Frekuensi Perbandingan kedua data frekuensi
dibangkitkan oleh generator axial. Untuk
dapat dilakukan dengan mengunakan 2
menentukan faktor tersebut dapat dilakukan
metode
yaitu
perbandingan diantara kecepatan rotasi rotor
persentase kesalahan dan standar deviasi.
dengan frekuensi yang dibangkitkan oleh
Kedua metode ini bertujuan untuk melihat
generator axial. Hasil perbandingan dapat
keakuratan nilai frekuensi yang didapat
dilihat pada tabel 8.
perhitungan
kesalahan
sehingga pengelolaan data lebih jelas dan dapat
dianalisis.
Perhitungan
Tabel 8. Perbandingan nilai frekuensi Kec. Rotasi Frekuensi No. Rotor (Hz) (rps) 1. 0,83 5 2. 1,66 10 3 2,5 15 4 3,3 20 5 4,16 25
kesalahan
standar deviasi dilakukan dengan tujuan melihat keakuratan hasil pengukuran nilai frekuensi yang dilakukan sebanyak 5 kali pada masing – masing skala kecepatan rotasi rotor. Perhitungan nilai standar deviasi dapat dilakukan berdasarkan persamaan yang telah ditentukan pada metode pengolahaan data.
Berdasarkan data pada tabel 8,
Selanjutnya untuk perhitungan persentase
dapat disimpulkan bahwa satu putaran rotor
kesalahan dilakukan dengan tujuan melihat
sama
keakuratan hasil perhitungan nilai frekuensi
dibangkitkan oleh generator axial. Hal ini
terhadap hasil pengukuran.
sesuai
Setelah kesalahan
dilakukan
menggunakan
perhitungan
6
Hz
frekuensi
dengan jumlah pasangan
yang
kutub
magnet permanen pada setiap rotor yaitu
metode
sebanyak 6 pasang. Keenam pasang kutub
tersebut diperoleh nilai rata - rata standar
magnet permanen tersebut menjadi faktor
deviasi sebesar 0,24 dan nilai rata - rata
yang
persentase
5,7%.
kecepatan rotasi pada rotor dengan nilai
Berdasarkan hasil tersebut perhitungan dan
frekuensi yang dibangkitkan oleh generator.
pengukuran nilai frekuensi terbilang akurat.
Hal ini sesuai dengan proses terbentuknya
Jika
satu gelombang penuh sinusoidal pada
kesalahan
dianalisis,
kedua
dengan
sebesar
kecepatan
rotasi
rotor
merupakan hal yang sama terhadap satuan
mempengaruhi
perbedaan
generator.
frekuensi. Hal ini disebabkan, satu frekuensi yang dibangkitkan oleh generator axial merupakan satu putaran penuh sebesar 360° atau 2π. Pada tabel 7 menunjukan nilai yang berbeda diantara nilai putaran dengan nilai frekuensi yang dibangkitkan pada generator
Gambar 15. Bentuk gelombang yang dihasilkan
axial. Hal ini disebabkan oleh sebuah faktor
10
nilai
Gambar diatas merupakan salah satu
hasil
pengukuran
melakukan
perhitungan
pada
pada setiap skala kecepatan rotasi rotor,
kecepatan rotasi rotor 100 rpm. Jika dilihat
dilakukan pengukuran nilai tegangan efektif
dari hasil pengukuran tersebut, bentuk
menggunakan multimeter sebanyak 5 kali
gelombang
pengukuran. Hasil dari 5 kali pengukuran
yang
frekuensi
Setelah
dihasilkan
mendekati
gelombang sinusoidal (tidak sempurna).
tersebut dirata – ratakan sehingga diperoleh
B.
nilai
Analisis
Tegangan
Induksi
yang
Perhitungan
dan
pengukuran
Pengukuran
berdasarkan
Perhitungan nilai tegangan efektif
tegangan
efektif
Tabel 9. Data tegangan induksi yang didapat Kec. Tegangan Efektif Rotasi (mV) No. Rotor Perhitungan Pengukuran (rpm) 1. 50 97 113
dapat dilakukan menggunakan persamaan (7) sesuai dengan penjabaran landasan teori. salah
nilai
ditampilkan pada tabel 9.
Tegangan Induksi
Adapun
efektif
pengukuran. Adapun hasil perhitungan dan
Dihasilkan 1.
tegangan
satu
perhitungan
nilai
tegangan efektif pada kecepatan rotasi rotor
2.
100
209
212
50 rpm sebagai berikut :
3.
150
305
346
Bmax
4.
200
419
448
5.
250
611
546
=
Br .
=
1,2
=
0,4 Tesla
Amagnet = =
Φmax
.
2. Perbandingan Nilai Tegangan Induksi
–
–
Perhitungan kesalahan dilakukan
–
dengan menggunakan 2 metode yang sama –
– -5
–
dengan perhitungan kesalahan pada nilai
2
=
1,417 . 10 m
frekuensi. Setelah dilakukan perhitungan
=
Amagnet . Bmax
kesalahan
-5
-6
metode
deviasi sebesar 16,78 dan nilai rata - rata
= 5,67 . 10 weber Losses Φm = (Abm : Abk) . 100%
persentase kesalahan sebesar 9,16%. Dalam
= {(3 . 2,5) : (5 . 7 : 2)} . 100%
hal ini, terdapat perbedaan nilai antara
= 43%
perhitungan dan pengukuran nilai tegangan efektif. Hal ini disebabkan oleh nilai rugi –
= Φmax . Losses Φm -6
rugi fluks magnet yang tidak tetap pada
-6
setiap kumparan. Ketidaktetapan nilai rugi –
= 5,67 . 10 . 43% = 2,44 . 10 Vrms
kedua
tersebut diperoleh nilai rata - rata standar
= 1,417 . 10 . 0,4
Φm
menggunakan
rugi fluks magnet disebabkan oleh posisi
= 4,44 . N . f . Φm .
magnet dan kumparan yang tidak simetris.
= 4,44 . 150 . 5 . 2,44 . 10 -6 . .
Ditinjau dari nilai tegangan efektif
= 0,097 volt
yang dihasilkan oleh generator axial dapat dikatakan sangat kecil walaupun kecepatan
11
rotasi yang diterapkan pada generator axial
C. Arus Induksi yang Dihasilkan
terbilang sangat rendah. Penyebab kecilnya
Proses
pendataan
arus
induksi
tegangan induksi yang dihasilkan oleh
dilakukan berdasarkan pengukuran sebanyak
generator
5 kali secara langsung menggunakan alat
axial
dapat
diperkirakan
berdasarkan analisis.
ukur multimeter. Pengukuran dilakukan
Nilai rugi – rugi fluks magnetik
dengan menggunakan beban berupa resistor
yang dihasilkan cukup besar yaitu hampir
sebesar 10 Ω. Hasil dari 5 kali pengukuran
mendekati
diperkirakan
tersebut dirata – ratakan sehingga diperoleh
perancangan luas bidang magnet permanen
nilai arus induksi berdasarkan pengukuran.
dengan kumparan tidak sebanding sehingga
Adapun hasil pengukuran arus induksi
aliran fluks magnet tidak maksimal.
ditampilkan pada tabel 10.
50%.
Hal
ini
Tabel 10. Data arus induksi yang diperoleh Kec. Rotasi Arus Induksi No. Rotor (rpm) (mA) 1. 50 3 2. 100 6 3 150 9 4 200 12 5 250 16 Berdasarkan data arus induksi pada tabel 10, dapat lihat nilai arus induksi yang dihasilkan oleh generator axial terbilang Gambar 16. Perbandingan daerah magnet permanen dengan kumparan
sangat kecil. Hal ini sebanding dengan nilai tegangan induksi yang dihasilkan oleh
Perancangan rotor pada generator
generator tersebut. Terdapat beberapa faktor
axial juga diperkirakan memiliki daerah
yang mempengaruhi nilai arus induksi yang
yang dapat mempengaruhi aliran fluks
dihasilkan yaitu nilai resistansi kumparan,
magnet. Daerah tersebut terletak pada yoke
induktansi diri, impedansi dan rugi – rugi
rotor yang terbuat dari besi. Oleh sebab itu,
fluks magnet. Keempat faktor tersebut akan
aliran fluks magnet pada kumparan semakin
memperkecil
tidak maksimal.
dihasilkan
nilai oleh
arus
induksi
generator
dianalisis lebih lanjut,
axial.
keempat
yang Jika faktor
tersebut akan menjadi total hambatan pada aliran arus induksi yang dihasilkan oleh generator axial. D. Karakterisasi Output yang Dihasilkan Output
yang
dihasilkan
oleh
generator axial masing – masing dapat
Gambar 17. Perbandingan luasan magnet permanen dengan yoke rotor
dibentuk sebuah grafik yang sesuai dengan
12
data
outputnya.
Grafik
tersebut
dapat
y = 15,564x + 6,8093
dianalisis berdasarkan persamaan linier yang terbentuk oleh masing – masing data. Persamaan linier tersebut akan menjadi dasar
pengkarakterisasian
output
yang
dihasilkan oleh generator axial yang telah dirancang. Berdasarkan data frekuensi, data tegangan efektif dan data arus induksi dapat dibentuk masing – masing sebuah grafik dan persamaan linier sebagai berikut : 1.
Gambar 20. Grafik arus induksi
Grafik frekuensi dan persamaan
Berdasarkan dari ketiga grafik dan
liniernya.
persamaan linier di atas, terdapat 2 nilai
y = 9,5615x – 0,9572
variabel yaitu y dan x. Nilai variabel y merupakan data kecepatan rotasi rotor, sedangkan nilai variabel x merupakan data dari masing – masing output generator. V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Adapun
rangkuman
kesimpulan
yang didapat setelah melakukan proses pengumpulan data dan analisis sebagai Gambar 18. Grafik frekuensi 2.
Grafik
tegangan
berikut : efektif
dan
1.
Hasil
pengukuran
frekuensi
persamaan liniernya.
memiliki kesalahan SD sebesar
y = 0,4524x – 0,6379
0,24
dan
sebesar
persentase
5,7%,
kesalahan
sedangkan
hasil
pengukuran arus induksi memiliki kesalahan SD sebesar 16,78 dan persentase kesalahan sebesar 9,16% 2.
Generator axial tipe rotor ganda yang
telah
dirancang
dapat
menghasilkan frekuensi ± 5 Hz, tegangan efektif ± 110 mV dan arus efektif ± 3 mA dalam setiap
Gambar 19. Grafik tegangan efektif 3.
kenaikan 50 rpm dengan bentuk
Grafik arus induksi dan persamaan
gelombang
liniernya.
13
tegangan
yang
dihasilkan
mendekati
bentuk
Rotor Cakram Ganda Stator Tanpa Inti, Skripsi, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok.
sinusoidal. 3.
Pengkarakterisasian output
yang
dihasilkan oleh generator axial hasil rancangan
dapat
Fuadi,
menggunakan
grafik dan persamaan linier pada masing – masing data output yang telah ditentukan.
I. 2012. Studi Desain Stator Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Aksial Jenis Cakram, Skripsi, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok.
Howey, A.D. 2010. Thermal Design of Aircooled Axial Flux Permanent Magnet Machines, thesis, Department of Electrical and Electronic Engineering Imperial College, London.
B. Saran Generator axial hasil rancangan tentunya belum dapat diterapkan langsung pada turbin angin. Oleh sebab itu, peneliti menyarankan hal sebagai berikut : 1.
Diharapkan
dalam
https://www.youtube.com/watch?v=JYxsElP Cgs (diakses pada jam 20.45 WIB, Selasa, 5 Mei 2015).
perancangan
generator axial selanjutnya dapat menggunakan turbin
angin
baling secara
–
baling
Husum, M.E. 2008. Design of a Lab Setup for Testing Stator Windings in Ironless Axial Flux Machines, Department of Electrical Power Engineering, Norwegian University of Science and Technology (NTNU).
langsung
dengan kapasitas daya tertentu.
DAFTAR PUSTAKA Atmojo, P.A. 2011. Analisis Unjuk Kerja Rancang Bangun Generator Axial Cakram Tunggal sebagai Pembangkit Listrik Turbin Angin Poros Vertikal Tipe Sarvonius, Skripsi, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok. Badan
Kementrian Energi & Sumber Daya Mineral. 2012. Kajian Supply Demand Energy, Jakarta, Desember 2012. Mahmoudi, A., Rahim, N.A., and Hew, W.P. 2011. Axial-flux Permanentmagnet Machine Modeling, Design, Simulation and Analysis, Full Length Research Paper, Electrical Engineering Department, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia.
Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. 2014. Data Arah Angin dan Kecepatan Angin, Tanjungpinang, Kepulauan Riau.
Budiman, A., Aji, Y.D., dan Asy'ari, H. 2013. Pembuatan dan Pengujian Awal Generator Axial Magnet Permanen Kecepatan Rendah, Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Nugroho, N.D. 2011. Analisis Pengisian Baterai pada Rancang Bangun Turbin Angin Poros Veretikal Tipe Savonius untuk Pencatuan Beban Listrik, Skripsi, Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok.
Firdausi, K.M. 2010. Simulasi Pengaruh Desain Magnet Permanen pada Generator Sinkron Fluks Aksial
Nurhadi, A. 2012. Perancangan Generator Putaran Rendah Magnet Permanen
14
Jenis Fe Fluks Aksial, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang. Organization of the Petroleum Exporting Countries. 2014. Annual Statistical Bulletin, OPEC Internatinal Seminar, Hofburg Palace Vienna, Austria, 3 – 4 June 2015. Price, F.G., Batzel, D.T, Comanescu, M., and Muller, A.B. 2008. Design and Testing of a Permanent Magnet Axial Flux Wind Power Generator, Paper 190, ENT 202, Pennsylvania State University, Altoona College. Prisandi,
H.C. 2011. Studi Desain Kumparan Stator pada Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Axial Tanpa Inti Stator, Skripsi, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok.
Rossouw, G.F. 2009. Analysis and Design of Axial Fluks Permanent Magnet Wind Generator System for Direct Battery Charging Applications, thesis, Department of Electrical and Electronic Engineering Stellenbosch University, South Africa. Sofian, E. 2011. Studi Bentuk Rotor Magnet pada Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Axial Tanpa Inti Stator, Skripsi, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok. Statistik PLN. 2013. Pembangkitan Tenaga Listrik, Sekretariat Perusahaan PT PLN (Persero), Jakarta, Mei 2014. Tipler, A.P. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik, Penerbit Erlangga, Jakarta. World Wind Energy Association. 2014. Half-year Report. WWEA Head Office, Charles-de-Gaulle-Str. 553113 Bonn, Germany.
15
