perancangan elementer generator axial tipe rotor ganda abstrak

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