analisis pengaruh pemasangan kapasitor seri dan rangkaian

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
_______________________________________________________________________________