1 BAB I - ETD UGM

1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Peningkatan
permintaan
konsumsi
energi
tidak
diimbangi
dengan
tersedianya energi primer yang dapat dikonversi langsung menjadi energi listrik
seperti batu bara, minyak bumi dan gas alam. Berbagai macam bentuk energi yang
ada di alam masih terlalu sulit untuk dikonversi langsung menjadi energi listrik
sehingga diperlukan alat yang bisa mengoptimalkan pembangkitan listrik dari
energi yang tersedia di alam ini. Energi terbarukan seperti angin, arus sungai,
biomassa, sinar matahari atau bahkan pada proses pengereman kendaraan dapat
dimanfaatkan untuk pembangkitan listrik. Akan tetapi energi tersebut memiliki
kelemahan diantaranya hanya mampu menghasilkan putaran yang rendah seperti
angin, air sungai sehingga dibutuhkan mesin yang dapat menyesuaikan kondisi ini
sehingga dapat menghasilkan frekuensi listrik lebih tinggi pada putaran yang
rendah.
Potensi energi baru dan terbarukan di alam tersebut dapat dimanfaatkan
sebagai pembangkitan listrik terdistribusi yang biasa disebut Distributed
Generation (DG). DG adalah teknologi pembangkitan energi listrik berskala kecil
yang menghasilkan daya listrik di suatu tempat yang lebih dekat dengan
konsumen dibandingkan dengan pembangkit listrik terpusat. Pembangkit ini dapat
dihubungkan secara langsung ke konsumen, sistem distribusi, atau transmisi milik
utility. Salah satu keuntungan dari skema DG adalah mengurangi pengeluaran
1
2
untuk pembangunan jalur transmisi dan distribusi (T&D), mengurangi emisi, dan
meningkatkan keandalan (Daly P. A.,2001).
Mesin aksial adalah salah satu mesin yang mempunyai arah fluks searah
dengan arah poros putaranya sehingga rotor dan statornya terletak berada pada
bidang poros. Mesin aksial memiliki konstruksi yang kompak karena berbentuk
cakram rotor dan stator yang saling dipasangkan pada poros yang sama.
Konstruksi cakram pada rotor ini memungkinkan mesin aksial memiliki jumlah
kutub yang banyak sehingga dapat beroperasi pada putaran rendah. Pemakaian
magnet permanen rare-earth seperti NdFeB, SmCo, dan lain sebagainya memiliki
kurva B-H yang lebar sehingga coercivity dan remanent yang besar sehingga
dapat menggantikan belitan eksitasi pada rotor. Ketiadaan belitan eksitasi
menyebabkan mesin ini bersifat tanpa sikat, hal tersebut meminimalkan rugi-rugi
sikat dan menurunkan biaya perawatan.
Mesin aksial magnet permanen (AFPM) menjadi populer karena memiliki
kerapatan daya tinggi dan torsi denyut (cooging torque) yang lebih kecil daripada
mesin magnet permanen fluks radial (RFPM). Mesin ini dimiliki celah udara
yang dapat diatur, memiliki noise dan vibrasi yang lebih sedikit dari mesin
konvensional. Mesin aksial memiliki berbagai macam topologi dengan
memvariasikan arah dari celah udara fluks utama. Selain itu, topologinya sangat
ideal untuk desain modular. Penambahan kapasitas daya mesin dapat dilakukan
dengan cara penambahan modul stator dan atau modul rotor untuk memenuhi
kebutuhan listrik.( J.G. Wanjiku, H. Jagau, Student Member, IEEE, M.A. Khan,
Member, IEEE and P. Barendse, Member, IEEE .2011)
3
Ada beberapa topologi dasar pada mesin aksial yaitu : (a) single-sided
slotted machine, (b) doublesided slotless machines with internal stator and twin
PM rotor, (c) double sided machine with slotted stator and internal PM rotor, (d)
double-sided coreless motor with intemal stator ( Gieras. Jacek F dkk 2004 ).
Studi tentang distribusi fluks magnet dapat mengetahui informasi mengenai: fluks
gandeng, besarnya pasangan energi dalam celah udara, torsi elektromagnetik, arus
eddy yang timbul, cogging torque akibat interaksi magnet pada rotor dan inti
stator dan besar gaya gerak listrik yang dibangkitkan dan fluks bocor yang
muncul.
Permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah mengenai pengaruh
konfigurasi stator-rotor dengan topologi rotor stator rotor (RSR) dan stator rotor
stator (SRS) mesin aksial magnet permanen terhadap distribusi fluks magnet
dengan menggunakan perangkat lunak finite element method FEMM 4.2. Finite
element method dapat memberikan data yang terperinci pada setiap bagian mesin.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah disebutkan di atas, maka perumusan
masalah pada penelitian ini adalah:
1. Bagaimana perbedaan pola distribusi fluks magnet pada kedua
topologi SRS dan RSR mesin aksial ini?
2. Berapa gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada kedua topologi
ini?
4
3. Berapa nilai induktansi pada sumbu direct dan sumbu quadratur
sebagai efek reaksi jangkar yang muncul dari kedua topologi ini ?
4. Berapa torsi elektromagnetik dan cooging torque yang muncul pada
topologi ini ?
1.3 Batasan Masalah
Untuk memfokuskan penelitian pada bagian yang dianggap paling penting,
maka dilakukan pembatasan masalah sebagai berikut :
1. Desain dan percobaan yang dibuat adalah sebatas dua konfigurasi mesin
fluks aksial dengan inti stator ferrite yaitu : rotor – stator – rotor dengan
stator – rotor - stator
2. Pada bahan magnet di mesin aksial diabaikan efek kejenuhan fluks
magnetiknya.
3. Bentuk dan ukuran pada mesin aksial yang disimulasikan adalah tertentu
dengan stator tonjol berinti ferrite dan sesuai spesifikasi.
4. Membahas hanya pada ranah magnetik saja dan gejala yang ditimbulkan
pada ranah magnetik.
1.4 Tujuan Penelitian
Manfaat dan tujuan dari penulisan tugas akhir ini yaitu :
1. Mengetahui perbedaan karakteristik kopling magnetik yang ditinjau dari
pola-pola distribusi fluks pada kedua topologi mesin aksial rotor-statorrotor dan stator-rotor-stator .
5
2. Mengetahui perbandingan gaya gerak listrik (ggl) yang ditimbulkan
akibat perubahan fluks.
3. Mencari nilai torsi elektromagnetik dan cooging torque yang
ditimbulkan dari kedua topologi ini.
4. Mencari tahu efek reaksi jangkar yang dapat ditinjau dari induktansi
pada sumbu – direct dan pada sumbu – quadrature.
1.5 Metode Penulisan
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
1. Melakukan studi pustakan yang mengenai analisa distribusi fluks
magnet pada perbedaan topologi mesin aksial yang menggunakan
metode finite element analysis yang bersumber pada literatur
pendukung maupun hasil pencarian di internet.
2. Merancang bangun geometri secara dua dimensi mesin aksial pada
software FEMM 4.2 sesuai topologi yang akan dianalisa yaitu rotorstator-rotor dan stator-rotor-stator
3. Mengendalikan gerakan mesin aksial dengan menggunakan bahasa
pemrograman Lua Script dengan memodelkan pada berbagai
kondisi.
4.
Melakukan analisa dan evaluasi terhadap hasil pengkajian.
6
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan tugas akghir ini dilakukan secara sistematis agar dapat
memberikan gambaran dan penjelasan yang lebih jelas dan mudah. Penulisan
terdiri atas beberapa bagian yaitu:
BAB I
PENDAHULUAN
Menjelaskan secara singkat latar belakang masalah,
perumusan
masalah,
batasan
masalah,
metodologi
penulisan, serta sistematika penulisan.
BAB II
DASAR TEORI
Bab ini menjelaskan mengenai teori-teori yang
berkaitan dengan pembuatan skripsi ini. Antara lain teori
mengenai gejala elektromagnet yang terjadi pada mesin
listrik yang dapat direpresentasikan oleh rapat fluks magnet
dan gejala yang ditimbulkan seperti gaya dan gaya gerak
listrik.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas tentang proses cara menggunakan
software FEMM 4.2 yang diterapkan untuk mencari
distribusi fluks magnet pada mesin aksial. Simulasi dengan
FEMM 4.2 ini dijalankan dengan metode simetri yaitu
menganggap bagian pada mesin aksial ini sama secara
7
geometris.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Memberikan penjelasan atas hasil keluaran yang
telah disimulasikan oleh FEMM 4.2 yang kemudian
disajikan dalam bentuk kurva hubungan , intepretasi grafis
dari distribusi fluks magnetik pada beberapa posisi rotor
terhadap statornya.
BAB V
PENUTUP
Bab ini berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan
saran untuk penelitian selanjutnya.