bab ii dasar teori

 Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Energi Listrik
Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Salah satu bentuk energi adalah
energi listrik. Energi listrik adalah energi yang berkaitan dengan akumulasi arus elektron,
dinyatakan dalam Watt-jam. Energi ini dibutuhkan bagi peralatan listrik/energi yang
tersimpan dalam arus listrik untuk menggerakan motor, lampu penerangan, pendingin,
pemanas, ataupun menggerakan peralatan mekanik lain utuk menghasilkan bentuk energi
lain. Konversi energi adalah cara untuk merubah energi dari satu sistem ke sistem yang
lain. Misalnya energi listrik diubah menjadi energi mekanik, energi mekanik diubah
menjadi energi listrik, energi elektromagnetik diubah menjadi energi mekanik dan lain
sebagainya.
Energi
primer
Penggerak
mula
Generator
Energi
listrik
Gambar 2.1 Skema konversi energi listrik
Pada umumnya proses konversi energi listrik dapat ditunjukkan oleh gambar 2.1.
Skema pembangkitan listrik dimulai dengan adanya energi primer. Energi primer di bumi
ini sangat banyak, diantaranya adalah energi matahari atau panas matahari, energi angin,
energi air dan lain-lain. Energi primer tersebut dikonversikan menjadi energi mekanik oleh
penggerak mula. Pada umumnya jenis-jenis penggerak mula yang sering digunakan pada
saat ini adalah turbin angin, turbin air, turbin gas, mesin diesel atau motor bensin, dan
lain-lain. Energi mekanik tersebut menggerakan atau memutarkan generator sehingga
generator dapat membangkitkan energi listrik.
2.2 Generator AC
Generator adalah suatu mesin konversi yang berfungsi untuk mengkonversikan
energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik yang digunakan oleh generator
adalah energi yang berasal dari putaran poros (daya poros). Daya poros tersebut dapat
Laporan Tugas Akhir
1
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
diperoleh dari prime mover atau mesin penggerak awal seperti, motor bakar, turbin, dan
lain-lain. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga seabagai alternator, generator
AC (alternating current), atau generator sinkron, dikatakan generator sinkron
karena
jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator atau
frekuensi tegangan yang dibangkitkan, sinkron dengan kecepatan putar rotornya
(frekuensi berbanding lurus terhadap putaran).
2.2.1 Konstruksi Generator AC
Konstruksi generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama yaitu stator,
yakni bagian generator dimana terdapat kumparan tempat untuk menerima induksi magnet
dan membangkitkan tegangan AC, dan rotor yakni bagian yang berputar dari generator
sinkron, dimana terdapat kutub-kutub magnet. Konstruksi dari generator AC ini dapat
dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Konstruksi generator arus bolak-balik
2.2.1.1 Rotor
Rotor merupakan bagian yang berputar pada generator. Kumparan medan
diletakkan pada rotor. Kumparan
medan
ini disuplai
tegangan
dc agar dapat
membangkitkan medan magnet. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah
sebuah elektromagnet yang besar. Jumlah kutub pada rotor harus sama dengan jumlah
kutub pada stator.
Terdapat dua macam tipe rotor magnet dari alternator (generator arus bolak-balik) yaitu:
1. Kutub menonjol (salient pole) biasanya digunakan alternator kecepatan rendah
seperti pada gambar 2.3.a.
Laporan Tugas Akhir
2
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
2. Kutub
silinder (non salient pole) atau kutub tidak menonjol, biasanya digunakan
pada alternator kecepatan tinggi seperti pada gambar 2.3.b.
(a)
(b)
Gambar 2.3 Rotor dengan 4 kutub magnet
Pada rotor kutub magnet menonjol keluar sering disebut dengan kutub sepatu.
Lebar permukaan rotor kutub sepatu biasanya hanya mencakup 2/3 bagian dari lebar
permukaan kutub stator. Kumparan pada setiap kutub dihubungkan secara seri. Untuk
generator dengan putaran lambat dan berkutub banyak, digunakan rotor kutub sepatu
karena diameternya yang besar sehingga bisa dibuat lebih banyak kutub. Pada
generator dengan putaran tinggi, rotor kutub sepatu tidak cocok digunakan karena tidak
cukup kuat untuk menahan stres mekanik yang terjadi pada kecepatan yang tinggi, pada
kecepatan tinggi, akan terjadi gesekan angin yang berlebihan sehingga menghasilkan
kebisingan. Jadi, rotor kutub sepatu hanya dijumpai pada putaran rendah. Selain itu,
distribusi fluks magnet pada rotor kutub sepatu cenderung berbentuk persegi dan belum
mendekati sinusoidal sehingga menimbulkan harmonisa.
Rotor silinder terbuat dari baja tempa padat yang mempunyai slot dan gigi di
sepanjang pinggiran luarnya seperti halnya stator. Tidak seperti rotor kutub sepatu,
kutub magnet pada rotor silinder tidak menonjol. Seperti halnya stator, kumparan medan
pada rotor silinder diletakkan di dalam slot ini. Di sekitar daerah pusat kutub
umumnya tidak mempunyai slot. Rotor silinder biasanya digunakan
pada
generator
putaran tinggi. Rotor silinder lebih panjang daripada rotor kutub sepatu. Diameter rotor
silinder tidak sebesar rotor kutub sepatu untuk mengurangi gaya sentrifugal yang muncul
pada kecepatan putar yang tinggi. Rotor ini memiliki kekuatan mekanis yang tinggi
dan tidak menghasilkan gesekan angin yang berlebihan sehingga sangat cocok untuk
Laporan Tugas Akhir
3
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
bekerja pada kecepatan tinggi. Selain itu, distribusi fluks magnet yang dihasilkan
lebih
mendekati
sinusoidal
sehingga
akan
menghasilkan
bentuk gelombang
tegangan yang lebih baik.
2.2.1.2 Stator
Stator merupakan bagian yang diam yang terdiri dari bagian luar (rangka
stator) dan bagian dalam. Rangka stator terbuat dari besi tuang dan merupakan rumah dari
semua bagian
generator. Bagian dalam stator dibuat dari kumpulan laminasi lembaran
baja (dengan permeabilitas yang tinggi) dan mempunyai banyak slot yang mengelilingi
pinggiran dalamnya. Jumlah slot tergantung pada ukuran mesin, jumlah kutub, dan jumlah
kumparan per kutub per fasa. Bagian dalam stator dirancang berbentuk lembaran untuk
mengurangi rugi-rugi arus pusar (eddy current). Kumpulan laminasi ini disatukan untuk
membentuk bagian yang padu melalui baut dan disatukan dengan rangka stator melalui
pengelasan ataupun dengan ikatan yang kuat (pada beberapa mesin berukuran kecil).
Gambar 2.4 Bangunan stator lengkap belitan jangkar
2.2.2 Prinsip Kerja Generator AC
Secara umum prinsip kerja generator AC adalah kumparan medan yang terdapat
pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus
searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui
kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah
tetap. Penggerak mula yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor
akan berputar. Perputaran rotor tersebut akan memutarkan medan magnet yang dihasilkan
kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, di induksikan pada kumparan
jangkar pada stator dan dihasilkan fluks magnet yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu.
Laporan Tugas Akhir
4
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
2.2.2.1
Hukum Faraday
Prinsip kerja generator AC dalam mengkonversi energi mekanik menjadi energi
listrik adalah berdasarkan hukum Faraday. Hasil penelitian Faraday menunjukkan bahwa
jika fluksi magnet menembus suatu rangkaian tertutup dan berubah terhadap waktu, maka
akan timbul suatu tegangan induksi yang sebanding dengan perubahan fluksi terhadap
waktu di dalam rangkaian tersebut. Pernyataan tersebut dapat ditulis dalam persamaan 2.1
dibawah ini :
dimana: e = tegangan induksi (volt)
= fluksi magnet (weber)
= waktu (s)
N= jumlah lilitan
Berdasarkan persamaan 2.1 dapat dikatakan bahwa tegangan induksi yang dibangkitkan
pada kumparan konduktor sebanding dengan besarnya perubahan fluksi magnet yang
berubah terhadap waktu. Maka tegangan induksi yang dibangkitkan oleh alternator dapat
diperbesar dengan cara:
1. Memperbanyak lilitan kumparan,
2. Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.
3. Mempercepat perputaran kumparan
4. Menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.
2.2.2.2 Frekuensi dan Putaran
Frekuensi adalah jumlah putaran perdetik yang dinyatakan dalam hertz (Hz). Satu
periode tegangan dibangkitkan pada konduktor jangkar bilamana rotor berputar satu kali
sebesar 360 derajat listrik sehingga frekuensi tergantung pada jumlah kutub dan kecepatan.
Hubungan antara putara dan frekuensi tersebut ditunjukkan pada persamaan 2.2 dibawah
ini:
dimana:
n = putaran (rpm)
Laporan Tugas Akhir
5
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
= frekuensi (Hz)
p = jumlah kutub
Untuk membangkitkan tegangan sinusoidal dengan frekuensi tertentu pada generator,
maka rotor harus diputar pada kecepatan yang sesuai dengan frekuensi. Rotor
dikatakan berputar pada kecepatan sinkron jika kecepatannya sesuai dengan n
r/min dalam persamaan 2.2.
2.2.2.3 Hubungan Antara Tegangan dengan Kemagnetan
Gambar 2.5 Generator AC sederhana
Generator AC tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing terpisah sebesar
120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada
kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada gambar 2.5 Masing-masing lilitan akan
menghasilkan gelombang fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik.
Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat:
Besarnya tegangan induksi yang timbul pada kumparan konduktor sebanding
dengan besarnya perubahan fluks magnet
yang berubah terhadap waktu, kemudian
banyaknya garis-garis gaya magnet yang memiliki kerapatan fluks magnet sebesar B
menembus suatu permukaan dengan luas A, persamaan dapat dituliskan dalam bentuk:
Hukum Faraday pada persamaan 2.1 tegangan yang timbul pada kumparan stator secara
umum dapat diturunkan sebagai berikut:
Laporan Tugas Akhir
6
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
dimana
dan
Untuk pemakaian umum, biasanya digunakan tegangan induksi efektif dengan persamaan:
dimana:
= tegangan induksi maksimum (Volt) ;
=tegangan induksi efektif (Volt)
N = jumlah lilitan ; e = tegnanan induksi dalam keadaan transient (Volt)
C = Konstanta ;
= frekuensi (hz)
n = putaran rotor (rpm)
= fluks magnetik maskimum (Weber)
2.3 Rangkaian Kemagnetan
Gejala magnet memainkan bagian yang melengkapi hampir setiap piranti listrik yang
digunakan pada saat ini di setiap industri, untuk penelitian, dan di rumah. Generator, motor,
transformator, pemutus rangkaian, televisi, komputer, tape recorder, dan telepon semuanya
menggunakan pengaruh magnetik untuk melakukan bermacam-macam tugas penting. Ada
kemiripan antara analisis rangkaian listrik dengan rangkaian magnet. Untuk praktisnya
sistem satuan SI digunakan untuk menganalisis hal tersebut.
Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah
banyak dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas
magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnetmagnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet
elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur) sehingga efeknya saling
meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub magnet pada ujung
logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara dan selatan. Kutub magnet
Laporan Tugas Akhir
7
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
adalah daerah
yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang
paling besar berada pada kutub-kutubnya.
2.3.1 Jenis-jenis Magnet
Berdasarkan sifat kemagnetannya magnet dapat dibedakan menjadi dua macam,
yaitu magnet permanen dan magnet remanen. Magnet permanen adalah suatu bahan yang
dapat menghasilkan medan magnet yang besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar
atau disebut magnet alam karena memiliki sifat kemagnetan yang tetap. Secara umum
magnet permanen terbagi atas 5 jenis, yaitu:
a. Magnet neodymium, merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet
neodymium (juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan
sejenis magnet tanah jarang, terbuat dari campuran logam neodymium,
b. Magnet Samarium-Cobalt: salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka,
merupakan magnet permanen yang kuat yang terbuat dari paduan samarium dan
kobalt.
c. Ceramic Magnets
d. Plastic Magnets
e. Alnico Magnets
Magnet remanen adalah suatu bahan yang hanya dapat menghasilkan medan
magnet yang bersifat sementara. Medan magnet remanen dihasilkan dengan cara
mengalirkan arus listrik atau digosok-gosokkan dengan magnet alam. Bila suatu bahan
pengantar dialiri arus listrik, besarnya medan magnet yang dihasilkan tergantung
pada besar arus listrik yang dialirkan. Medan magnet remanen yang digunakan dalam
praktek kebanyakan dihasilkan oleh arus dalam kumparan yang berinti besi. Agar medan
magnet yang dihasilkan cukup kuat, kumparan diisi dengan besi atau bahan sejenis besi
dan sistem ini dinamakan elektromagnet. Keuntungan elektromagnet adalah bahwa
kemagnetannya dapat dibuat sangat kuat, tergantung dengan arus yang dialirkan, dan
kemagnetannya dapat dihilangkan dengan memutuskan arus listriknya.
Neodymium magnet merupakan jenis magnet yang akan digunakan dalam
pembuatan generator AC ini. Magnet ini adalah generasi ketiga magnet bumi yang langka
dan telah tersedia secara komersial. Magnet ini sangat mahal harganya, oleh karena itu
penulis menggunakan magnet neodymium bekas hardisk karena keterbatasan biaya dalam
Laporan Tugas Akhir
8
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
pembuatan
generator. Gambar 2.6 merupakan gambaran dari bentuk neodymium bekas
hardisk.
Gambar 2.6 Magnet neodymium bekas hardisk
Magnet ini adalah yang paling kuat dan langka, neodymium iron boron memiliki
ketahanan yang baik untuk bidang demagnetization eksternal karena paksaan intrinsik
tinggi Force (HCI). Resistensi ini membuat magnet Neodymium pilihan yang sangat baik
untuk aplikasi elektromekanis. Magnet NdFeB lebih rentan terhadap oksidasi
dibandingkan paduan magnet lainnya, jadi untuk sebagian besar aplikasi, pelapis atau
plating magnet ini sangat dianjurkan. Dalam membuat sebuah alternator fluks aksial, akan
lebih efektif menggunakan magnet neodymium. Magnet ini mempunyai karakteristik
seperti pada tabel 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik neodymium magnet
Sumber http://www.duramag.com/neodymium-technical-info.html
2.3.2 Medan Magnet
Dalam daerah di sekeliling magnet memiliki suatu medan magnet, yang dapat
dinyatakan dengan garis fluks magnet yang mirip dengan garis fluks listrik, akan tetapi tidak
memiliki titik awal dan titik akhir seperti garis fluks listrik tapi berupa lintasan yang terus
Laporan Tugas Akhir
9
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
menerus. Simbol untuk fluks magnet adalah phi
. Garis fluks magnet memancar dari
kutub utara menuju ke selatan, kembali ke kutub utara melalui batang metal seperti gambar
2.7. Jaraknya sama antara garis fluks dalam inti dan penyebaran yang simetris di luar
bahan magnetik. Ada sifat tambahan garis fluks magnet dalam bahan homogen (bahan
yang memiliki struktur yang seragam). Hal ini penting untuk memahami bahwa garis fluks
magnet akan mencoba untuk menempati ruang yang sekecil mungkin.
Gambar 2.7 Arah fluks magnet
2.3.3 Permeabilitas
Permeabilitas
suatu bahan adalah ukuran mudahnya garis fluks dapat ditetapkan
dalam suatu bahan. Hal ini mirip dengan sifat hantaran dalam rangkaian listrik. Permeabilitas
ruang hampa adalah:
weber/ampere-meter
Atau
μ0 = 1,257.10-6 Vdet/A.m
Dalam praktek, permeabilitas semua bahan magnet, seperti tembaga, alumunium, kayu,
kaca, dan udara, adalah sama dengan permeabilitas ruang hampa. Bahan yang memiliki
permeabilitas sedikit lebih kecil dari permeabilitas ruang hampa disebut diamagnetik dan
bahan yang memiliki permeabilitas sedikit lebih besar dari ruang hampa disebut
paramagnetik. Bahan magnet seperti besi, nikel, baja, cobalt, dan campuran dari bahan
tersebut memiliki permeabilitas ratusan sampai ribuan kali permeabilitas ruang hampa
disebut dengan ferromagnetik. Elektron di dalam bahan feromagnetik juga bergerak
mengelilingi intinya. Elektron berputar pada porosnya dan menarik medan magnet,
sehingga atom-atom feromagnetik yang tersebar akan tertarik menuju inti. Dalam lilitan
tanpa inti besi, kerapatan fluksi magnetis B sebanding dengan arus I dan kuat medan H.
Perbandingan antara kerapatan fluksi B dan kuat medan magnet H mempunyai nilai
konstan oleh karena itu disebut sebagai konstanta medan magnet μ0.
Laporan Tugas Akhir
10
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
2.3.4 Reluktansi
Reluktansi merupakan derajat hambatan magnetik dari suatu rangkaian magnetik
terhadap fluks magnet ditentukan oleh persamaan 2.6:
Dimana:
= relukansi(At/Wb)
l = panjang lintasan magnet
A = Luas potongan melintang
berbanding terbalik dengan permeabilitas. Semakin besar harga
Reluktansi
maka akan
semakin kecil harga reluktansi. Bahan seperti ferromagnetik, memiliki reluktansi yang
kecil. Tidak ada satuan yang secara luas diterima untuk reluktansi, meskipun biasanya
digunakan satuan rel dan At/Wb. Gambar 2.8 merupakan contoh rangkaian magnet untuk
mencari reluktansi magnet.
Fluksi Magnetis
Φ
RmFE
RmU
Panjangg garis
sumbu medan
magnetis
Gambar 2.8 Contoh rangkaian magnetis
Karena garis medan ada yang melewati inti besi dan ada yang melewati udara (lihat
gambar 2.7) maka resistansi atau hambatan magnetisnya juga ada dua, yaitu reluktansi inti
besi dan reluktansi udara, dan dapat ditulus dengan persamaan 2.7.
dimana:
= Reluktansi magnet
= Relutansi besi
= Reluktansi udara
2.3.5 Hukum Ohm Untuk Rangkaian Magnet
Laporan Tugas Akhir
11
Muhamad Lutfi (091711051)
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Bandung
Gambar 2.9 (a) Rangkaian magnet setara dan (b) analogi rangkaian listrik
Rangkaian magnet dapat diwakili oleh sistem yang diperlihatkan pada gambar 2.9.a.
Analogi rangkaian
listrik diperlihatkan pada gambar 2.9.b. Analogi jenis ini dapat berguna
untuk menyelesaikan
rangkaian magnet.
Hukum Ohm bagi rangkaian magnet dapat ditulis oleh persamaan 2.8:
Untuk rangkaian magnet, pengaruh yag dinginkan adalah fluks
gaya gerak magnet (magnetikmotive, mmf)
, penyebab berupa
, yang berupa gaya luar (atau ”tekanan”) yang
diperlukan untuk menetapkan garis fluks magnet dalam bahan magnet. Perlawanan terhadap
penetapan fluks
adalah reluktansi
Gaya gerak magnet
.
sebanding dengan perkalian jumlah belitan yang mengitari inti dan
arus yang melalui kawat belitan dalam bentuk persamaan 2.9 dengan satuan belit-amper, At:
Persamaan tersebut mengungkap bahwa peningkatan jumlah belitan atau arus yang melalui
kawat akan menghasilkan peningkatan ”tekanan” pada suatu sistem untuk membuat garis
fluks melalui inti. Fluks magnet dibuat dalam inti melaui perubahan struktur atom inti karena
adanya tekanan luar yang bukan ukuran aliran partikel muatan yang melalui inti.
2.3.6 Gaya Magnetisasi
Gaya gerak listrik per satuan panjang disebut dengan gaya magnetisasi H. dalam
bentuk persamaan 2.10 dengan satuan At/m:
Ketika gaya megnetisasi bertambah, maka permeabilitas naik sampai harga maksimum dan
kemudian turun ke harga minimum seperti pada gambar 3 pada lampiran gambar. Semakin
besar permeabilitas, akan semakin besar rapat fluks yang dihasilkan.
Laporan Tugas Akhir
12
Muhamad Lutfi (091711051)