PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT Perancangan Generator Induksi Magnet Permanen Kecepatan Rendah 12 Kutub Untuk Aplikasi Pembangkit Terbarukan.
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
PUBLIKASI ILMIAH
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik
Oleh:
SAHID SHOLIHIN
D 400 120 031
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
HALAMAN PERSETUJUAN
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
PUBLIKASI ILMIAH
oleh:
SAHID SHOLIHIN
D 400 120 031
Telah diperiksa dan disetujui untuk diuji oleh:
Dosen Pembimbing
Agus Supardi, S.T, M.T
NIK.883
i
HALAMAN PENGESAHAN
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
OLEH
SAHID SHOLIHIN
D 400 120 031
Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji
Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Pada hari ……., ………. 2016
dan dinyatakan telah memenuhi syarat
Dewan Penguji:
(……..……..)
1. Agus Supardi, S.T., M.T
(Ketua Dewan Penguji)
(…………….)
2. Ir. Jatmiko, M.T.
(Anggota I Dewan Penguji)
(…………….)
3. Umar, S.T., M.T.
(Anggota II Dewan Penguji)
Dekan,
Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D
NIK. 682
ii
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
Abstrak
Krisis energi listrik yang terjadi di Indonesia menjadi persoalan yang belum
terselesaikan. Dari permasalahan tersebut dilakukan penelitian terkait energi listrik yang
nantinya dapat diaplikasikan di daerah terpencil dengan memanfaatkan sumber energi
terbarukan sebagai penggerak mulanya. Penelitian ini membahas tentang perancangan
generator induksi magnet permanen dengan memanfaatkan motor induksi. Perancangan
rotor generator dilakukan dengan menanam 12 pasang magnet permanen jenis
neodymium dimensi 35 x 15 x 7 mm. Perancangan stator generator dengan mengubah
frame stator yang berjumlah 48 slot menjadi 12 kutub dengan belitan berjumlah 4080.
Dalam penelitian ini dilakukan pengujian generator dengan kondisi tanpa beban dan
berbeban. Pengujian tanpa beban dilakukan dengan kondisi generator tanpa kapasitor,
menggunakan ukuran kapasitor tetap dan mengubah ukuran kapasitor. Pengujian
berbeban dilakukan dengan melakukan variasi berupa beban resistif dan beban induktif.
Generator induksi magnet permanen tak berbeban mampu menghasilkan tegangan 75
sampai 130,7 volt dan frekuensi 31,3 sampai 53,8 Hz ketika diputar dengan kecepatan
300 sampai 500 rpm tanpa menggunakan kapasitor. Saat duji ulang dengan mengubah
ukuran kapasitor dari 4 µF sampai 12 µF diperoleh tegangan 151,1 sampai 237,1 volt dan
frekuensi 50,3 sampai 50,9 Hz dengan kecepatan putar tetap 500 rpm. Pengujian tanpa
beban selanjutnya dengan kapasitor tetap 10 µF menghasilkan tegangan 88 sampai 221
volt dan frekuensi 30,3 sampai 50,8 Hz dengan kecepatan putar dari 300 sampai 500 rpm.
Berdasarkan hasil pengujian terbukti bahwa kapasitor berperan sebagai eksitasi dalam
proses pembangkitan tegangan. Pada saat pembebanan resistif antara 10 sampai 50 watt
mengakibatkan generator mengalami penurunan tegangan dari 202 sampai 141 volt dan
kenaikan arus 0,06 sampai 0,22 ampere, sedangkan pembebanan induktif berupa lampu
TL 10 sampai 40 watt mengakibatkan generator mengalami penurunan tegangan dari 208
sampai 159,7 volt dan kenaikan arus 0,20 sampai 0,34 ampere. Peningkatan daya beban
menyebabkan penurunan tegangan dan kenaikan arus.
Kata kunci: energi listrik, generator induksi magnet permanen, kapasitor, tegangan
Abstract
Electrical energy crisis that occurred in Indonesia is still an unresolved issues. From the
problems related to research conducted electrical energy that can later be applied in
remote areas by utilizing renewable energy sources as a driving source. This study
discusses the design of a permanent magnet induction generator by utilizing an induction
motor. Generator rotor design is done by implanting 12 pairs of permanent magnet type
neodymium with dimensions of 35 x 15 x 7 mm. The design of the generator stator by
changing the stator frame of 48 slots to 12 poles with winding numbered 4080. In this
research, the testing generator with no load and load conditions. Testing without a load
carried by the condition of the generator without the capacitor, the capacitor using a fixed
size and change the size of the capacitor. Load testing is done by the variation in the form
of a resistive load and inductive load. Permanent magnet induction generator with noloads is able to generate voltages up to 75 to 130,7 volts and frequency 31.3 up to 53.8
1
Hz when rotated at speeds of 300 to 500 rpm without using capacitors. When retested by
changing capacitor size from 4 μF to 12 μF is resulted 151.1 to 237.1 volts voltage and
frequency 50.3 to 50.9 Hz with fixed rotational speed of 500 rpm. Furthermore, next
experiment in no-loads condition with 10 μF Capacitors still generate a voltage 88 to 221
volts and frequency 30.3 to 50.8 Hz with a rotational speed of 300 to 500 rpm. Based on
the test results proved that the capacitor acts as the excitation of voltage generation
process. When the resistive load between 10 to 50 watts resulting voltage generator
decreased from 202 to 141 volts and the current rise of 0.06 to 0.22 amperes, whereas the
inductive load in the form of fluorescent lamp 10 to 40 watts resulting voltage generator
decreased from 208 to 159.7 volts and current rise 0.20 to 0.34 amperes . The
improvement of power load causes a decrease in the voltage and currrent rise.
Keywords: electrical energy, permanent magnet generator induction, capacitors, voltage
1. PENDAHULUAN
Listrik menjadi salah satu aspek penting dalam kehidupan, sehingga di era modern ini banyak
penelitian yang dilakukan terkait energi listrik. Mengingat pentingnya listrik bagi kehidupan
manusia, maka aspek-aspek yang terkait pada dunia kelistrikan memerlukan perhatian yang lebih,
mulai dari bagaimana listrik tersebut dapat dihasilkan kemudian sampai tersalurkan ke beban. Akan
tetapi masalah krisis energi listrik masih menjadi salah satu persoalan yang belum bisa diatasi oleh
Negara Indonesia dikarenakan tidak seimbangnya antara peningkatan kebutuhan daya listrik
terhadap kapasitas pembangkit yang tersedia.
Banyak teknologi baru ditemukan dalam waktu tertentu yang mengakibatkan perbedaan
sudut pandang mengenai energi listrik. Sehubungan dengan hal tersebut, ada kesalahpahaman
mengenai free energy. Tidak ada energi yang bernilai gratis. Tenaga surya, angin, ombak, panas
bumi dan air dapat diperoleh secara gratis setelah kita mulai menggunakan metode dalam
menghasilkan listrik yang juga membutuhkan biaya modal dalam pembuatannya. Energi dapat
dikatakan gratis jika kita tidak harus membayar sejumlah biaya untuk daya listrik yang telah
dibangkitkan dengan metode non konvensional dalam pembangkitan daya listrik (Grover et al,
2014).
Permintaan akan sumber energi hijau telah menyebabkan pembangunan dibidang tenaga
surya dan tenaga angin tapi karena keduanya tergantung pada faktor-faktor eksternal seperti cuaca,
kondisi ini menjadi masalah tetap yang menyebabkan pasokan energi yang kurang stabil ( Ahuja dan
Singh, 2014). Melihat negara Indonesia merupakan negara kepulauan, dimana banyak sekali sumber
daya alam (SDA) yang dapat dimanfaatkan seperti air, angin dan cahaya matahari, memungkinkan
sekali untuk memanfaatkan SDA tersebut dalam pembangkitan listrik supaya persebaran listrik dapat
merata terutama daerah terpencil.
2
Pada umumnya, suatu daerah terpencil akan membutuhkan suatu pembangkit yang
mempunyai sistem sederhana, mudah perawatannya dan dapat dioperasikan oleh masyarakat
disekitarnya. Salah satu komponen utama yang menjadi pertimbangan dalam perencanaan sistem
pembangkit adalah jenis generator yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi
listrik. Dalam penelitiannya mengenai SEIG (Self Excitation Induction Generator ), Gupta dan
Wadhwani (2012) menjelaskan secara umum generator induksi tereksitasi diri digunakan dalam
sistem energi non konvensional seperti angin, air dan lain lain. Generator jenis ini secara umum
sangat cocok digunakan di daerah pedesaan terpencil karena dapat dioperasikan pada kondisi dan
variasi beban yang berbeda.
Generator induksi merupakan salah satu alternatif diantara beberapa jenis generator lainnya.
Generator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi
untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara
mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi
biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator
induksi sangat berguna pada aplikasi-aplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin angin,
atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan
energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana (Priandika, 2013). Akan tetapi, Sharma et al.
(2011) dalam penelitinnya menjelaskan bahwa generator induksi memiliki kelemahan terhadap
regulasi tegangan karena memerlukan arus magnetisasi sebagai eksitasi. Faktor daya, regulasi
tegangan dan efisiensi dalam menghasilkan energi listrik dapat ditingkatkan menggunakan magnet
permanen.
Tegangan induksi generator dapat dihitung melalui persamaan berikut:
(1)
dimana:
Erms
: Tegangan efektif induksi generator (V)
N
: jumlah lilitan
f
: frekuensi (Hz)
: fluks maksimum (Wb)
Ns
: jumlah kumparan/slot
Nph
: jumlah fasa
3
Frekuensi ditentukan dengan persamaan berikut:
(2)
dimana:
f
: frekuensi (Hz)
nr
: Kecepatan rotor (rpm)
P
: Jumlah kutub
Magnet permanen digunakan untuk menghasilkan fluks magnet. Fluks maksimum magnet
(
max)
dapat ditentukan dengan persamaan :
(3)
dengan :
(4)
dan
(5)
dimana:
Amagn : luasan medan magnet(m2)
Bmax
: kerapatan fluks magnet maksimum (T)
ro
: radius luar magnet (m)
ri
: radius dalam magnet (m)
Nm
: Jumlah magnet
: jarak antar magnet (m)
Br
: kerapatan fluks magnet (T)
lm
: tinggi magnet (m)
: lebar celah udara (m)
Tugas akhir ini akan merancang sebuah generator induksi magnet permanen dengan
memanfaatkan motor induksi. Perancangan yang dilakukan adalah dengan mengubah jumlah kutub
stator menjadi 12 kutub dan melakukan modifikasi pada rotor dengan cara memasang magnet
4
neodymium yang berjumlah 12 dengan dimensi 35 x 15 x 7 mm berbentuk persegi panjang dengan
cara menanamkan magnet kedalam rotor motor induksi. Magnet deodymium yang juga dikenal
sebagai NdFeB merupakan jenis magnet permanen yang paling kuat, dan juga memiliki karakteristik
magnet yang lebih baik bila dibandingkan dengan magnet
lainnya seperti Ferit, Alnico dan
Samarium cobalt (Irasari dan Idayanti, 2007). Pengujian generator ini akan dilakukan dengan cara
dikopel secara langsung dengan penggerak mula, lalu dihubungkan ke beban resisitif, beban induktif
maupun tanpa beban. Harapannya penelitian ini bisa menjadi salah satu cara yang efektif dalam
menangani masalah krisis energi listrik di Indonesia.
2. METODE
Dalam penelitian ini, langkah yang pertama dilakukan adalah dengan melakukan studi literatur. Hal
ini dilakukan untuk mengumpulkan data terkait penelitian yang akan dilakukan guna pematangan
konsep. Pengumpulan data berupa jurnal publikasi ilmiah, artikel ilmiah, buku-buku, media online
(internet), dimana data tersebut digunakan sebagai acuan dalam mengerjakan penelitian ini.
Perancangan alat diawali dengan merancang stator. Langkah selanjutnya yaitu melakukan
modifikasi rotor generator dengan menanamkan magnet permanen yang berfungsi untuk
menghasilkan induksi. Pembuatan alat diawali dengan mengumpulkan bahan-bahan yang dibutuhkan
dalam pembuatan generator induksi magnet permanen. Pada prosesnya, pembuatan dilakukan
dengan bantuan bengkel bubut, sehingga diperoleh hasil yang presisi sesuai yang direncanakan.
Pengujian alat dilakukan dengan tanpa beban dan berbeban. Pengujian tanpa beban dilakukan
dengan beberapa cara yaitu ketika generator tanpa menggunakan kapasitor dalam pengoperasiannya.
Selanjutnya pengujian tanpa beban dengan cara memvariasi ukuran kapasitor dan terakhir dengan
cara mengubah kecepatan putar dengan kapasitor tetap. Pengujian berbeban menggunakan beban
resisitif berupa lampu
pijar dan menggunakan beban induktif berupa lampu TL dengan
menggunakan kapasitor tetap. Pengujian dilakukan dalam skala laboratorium yaitu di Laboratorium
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Analisa dilakukan dengan membandingkan data hasil pengujian ketika generator beroperasi
tanpa beban maupun menggunakan beban. Data yang diperoleh dari pengujian tanpa beban berupa
kecepatan putar (rpm), frekwensi (Hz), dan tegangan (V), sedangkan data hasil pengujian berbeban
berupa kecepatan putar awal (rpm), jenis beban yang digunakan, daya (Watt), tegangan (V), arus (A)
dan intensitas cahaya. Tahapan yang dilakukan dalam penelitian dapat dilihat pada flowchart
penelitian berikut:
5
Mulai
Studi Literatur
Merancang generator induksi magnet permanen
Membuat generator induksi magnet permanen
perbaikan
Apakah
generator
bekerja dengan
baik ?
tidak
ya
Pengujian
Tanpa Beban ( tanpa kapasitor,
variasi ukuran kapasitor, kapasitor
tetap)
Variasi Beban ( Resistif dan
Induktif)
Apakah data
pengujian
sudah sesuai ?
tidak
ya
Analisa Hasil
Pembuatan Laporan
Selesai
Gambar 1. Flowchart Penelitian
6
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Bentuk dan desain alur belitan stator
Stator memiliki jumlah slot sebanyak 48 yang dibagi menjadi 12 kutub. Kawat tembaga (email) yang
digunakan untuk melilit adalah kawat berjenis jerman ukuran 0.45 mm. Jumlah alur perkutub yang
digunakan yaitu 4 alur.
Gambar 2. Alur perancangan lilitan stator generator
Gambar 2 menunjukkan alur perancangan lilitan pada stator generator induksi magnet
permanen. Langkah pertama menggulung kawat tembaga sebanyak 170 belitan lalu dipasang pada
slot nomor 2 (masukan) dan slot nomor 3 (keluaran), kemudian keluaran slot nomor 3 digulung
sebanyak 170 belitan pada slot nomor 1 (masukan) da slot nomor 4 (keluaran). Langkah yang
berikutnya keluaran slot nomor 4 dibuat gulungan sebanyak 170 belitan yang dipasang pada slot
nomor 7 (masukan) dan slot nomor 6 (keluaran). Keluaran dari slot nomor 6 dibuat lagi sebanyak
170 belitan yang dipasang pada slot nomor 8 (masukan) dan slot nomor 5 (keluaran). Langkah ini
dilakukan seterusnya sampai dengan slot terakhir, sehingga diperoleh total jumlah belitan
perkutubnya adalah 340 belitan. Bentuk stator pada generator yang digunakan dapat dilihat pada
gambar 3.
Gambar 3. Bentuk stator
7
3.2 Bentuk dan desain rotor yang digunakan
Dilakukan modifikasi pada rotor generator dengan menanamkan 12 buah magnet permanen jenis
neodymium berdimensi 35 x 15 x 7 mm berbentuk persegi panjang disusun melingkari rotor. Rotor
dibor menggunakan mesin EDM menyesuaikan dimensinya dengan kedalaman 7.1 mm. Bentuk
desain pemasangan magnet ke dalam rotor dapat dilihat pada gambar 4 dan bentuk magnet
neodymium yang digunakan dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 4. Desain pemasangan magnet pada rotor generator
Gambar 5. Bentuk magnet permanen neodymium
3.3 Pengujian generator tanpa beban
Pengujian tanpa beban generator induksi magnet permanen menggunakan sebuah motor induksi
sebagai penggerak mulanya (prime mover ). Motor induksi dikopel dengan generator menggunakan
puli dan v-belt. Putaran motor induksi akan diatur menggunakan Voltage Regulator (VR) sehingga
diperoleh data yang bervariasi.
Pengujian generator tanpa beban dilakukan dengan 3 cara. Pengujian pertama dengan
melakukan pengaturan variasi kecepatan putar generator dari 300 sampai 500 rpm tanpa
menggunakan kapasitor yang terhubung pada terminal jangkar dan hasil pengujian ditunjukkan pada
tabel 1.
8
Pengujian kedua dengan mempertahankan kecepatan putar generator pada 500 rpm dengan
melakukan variasi kapasitor dari ukuran 4 uF sampai 12 uF dan hasilnya ditunjukkan pada tabel 2.
Terakhir pengujian generator tanpa beban dilakukan dengan melakukan variasi kecepatan putar dari
300 sampai 500 rpm dengan menggunakan kapasitor berukuran 10 uF terhubung pada terminal
jangkar. Hasil pengujian ketiga ditunjukkan pada tabel 3.
Tabel 1. Hasil pengujian tanpa kapasitor
Kecepatan putar (rpm)
300
350
400
450
500
Frekuensi (Hz) &
Tegangan (V)
No.
1
2
3
4
5
Tegangan (V)
75,0
84,9
100,3
108,6
130,7
Frekuensi (Hz)
31,3
35,3
41,7
44,8
53,8
150
130,7
100
75
84,9
31,3
35,3
50
100,3
108,6
41,7
44,8
53,8
Frekuensi
Tegangan
0
300
350
400
450
500
Kecepatan putar (rpm)
Gambar 6. Hubungan kecepatan putar terhadap frekuensi dan tegangan dalam kondisi tanpa
kapasitor
Tabel 1 dan gambar 6 menunjukkan bahwa generator dapat membangkitkan tegangan tanpa
adanya bantuan kapasitor. Hal ini menjelaskan bahwa generator beroperasi sebagai generator magnet
permanen, dimana medan magnet pada rotor akan ikut berputar menginduksi lilitan pada stator
sehingga timbul gaya gerak listrik berupa tegangan. Dari gambar 6 dapat disimpulkan bahwa
kecepatan putar generator berbanding lurus terhadap frekuensi dan tegangan. Ketika kecepatan putar
dinaikkan, maka frekuensi dan tegangan akan mengalami kenaikan. Tegangan terendah diperoleh
pada kecepatan 300 rpm dengan nilai tegangan 75 Volt pada frekuensi 31,3 hz. Kecepatan putar
diubah pada setiap kenaikan 50 rpm. Tegangan tertinggi pengujian generator tanpa menggunakan
kapasitor diperoleh pada kecepatan putar maksimal 500 rpm dengan nilai 130,7 Volt pada frekuensi
53,8 Hz.
9
Tabel 2. Hasil pengujian dengan kec. putar tetap 500 rpm
No.
1
2
3
4
5
Ukuran Kapasitor (µF)
4
6
8
10
12
Tegangan (V)
151,1
169,6
194,3
218,6
237,1
Frekuensi (Hz)
50,3
50,5
50,5
50,7
50,9
Frekuensi (Hz) & Tegangan (V)
250
237,1
218,6
200
194,3
169,6
151,1
150
Frekuensi
100
Tegangan
50
50,5
50,3
50,9
50,7
50,5
0
4
6
8
10
12
Kapasitor (µF)
Gambar 7. Hubungan ukuran kapasitor terhadap frekuensi dan tegangan
Tabel 2 dan gambar 7 menunjukkan bahwa semakin besar ukuran kapasitor semakin besar
pula tegangan generator induksinya. Hal ini sesuai dengan penelitian yang pernah dilakukan oleh
Supardi et al. (2014) bahwa kapasitor berfungsi sebagai eksitasi generator induksi pada saat proses
pembangkitan tegangan pada belitan stator generator induksi. Semakin besar kapasitansi kapasitor,
nilai impedansi semakin kecil dan arus eksitasi yang dialirkan oleh kapasitor semakin besar.
Semakin besar arus eksitasi, tegangan induksi akan semakin besar.
Ukuran kapasitor juga akan berpengaruh terhadap frekuensi generator walaupun tidak terlalu
signifikan perubahannya. Pengambilan data sebanyak 5 kali pengujian, dengan mengubah ukuran
kapasitor agar diketahui hasil data yang sesuai standar PLN. Saat generator diputar pada kecepatan
500 rpm, diperoleh nilai tegangan sebesar 218,6 Volt pada frekwensi 50,7 Hz dan kapasitor yang
terpasang pada terminal keluaran generator adalah 10 µF.
10
Tabel 3. Hasil pengujian dengan kapasitor tetap 10 µF
Frekuensi (Hz) & Tegangan (V)
No.
1
2
3
4
5
Kecepatan putar (rpm)
300
350
400
450
504
Tegangan (V)
88,0
114,4
140,3
176,4
221,0
Frekuensi (Hz)
30,3
35,8
40,2
45,6
50,8
250
221
200
176,4
150
140,3
114,4
100
Frekuensi
88
Tegangan
50
45,6
40,2
35,8
30,3
50,8
0
300
350
400
450
500
Kecepatan putar (rpm)
Gambar 8. Hubungan kecepatan putar terhadap frekuensi dan tegangan dengan kapasitor tetap
Tabel 3 dan gambar 8 menunjukkan adanya hubungan antara kecepatan putar terhadap
frekuensi dan tegangan keluaran generator. Semakin tinggi kecepatan putar generator maka frekuensi
dan tegangan keluaran akan semakin tinggi. Terbukti dari data yang diperoleh pada saat generator
berputar pada kecepatan 300 rpm diperoleh nilai tegangan 88,0 Volt pada frekuensi 30,3 Hz, dan
pada saat generator diputar pada kecepatan 504 rpm menghasilkan tegangan keluaran sebesar 221
Volt pada frekuensi 50,8 Hz. Terbangkitnya tegangan ini juga dikarenakan adanya bantuan eksitasi
dari kapasitor 10 µF yang terpasang pada terminal keluaran generator.
Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan, penambahan kapasitor sangat berpengaruh
terhadap tegangan keluaran dan frekuensi generator dibandingkan saat generator dioperasikan tanpa
kapasitor. Hal ini dibuktikan dari data yang terdapat pada tabel 1 dan tabel 3. Dapat dilihat ketika
pengujian generator tanpa kapasitor pada kecepatan putar 500 rpm hanya mampu menghasilkan
tegangan keluaran sebesar 130,7 volt pada frekuensi 53,8 Hz, sedangkan pengujian menggunakan
kapasitor 10 µF pada kecepatan putar 504 rpm dapat membangkitkan tegangan keluaran generator
221,0 volt pada frekuensi 50,8 Hz.
11
3.4 Pengujian generator dengan beban resistif
Pengujian berbeban dilakukan dengan cara yang sama seperti pengujian tanpa beban, dimana motor
penggerak dikopel dengan generator menggunakan puli dan v-belt. Kecepatan putar generator
dipertahankan pada 520 rpm, 222 volt, frekuensi 52 Hz menggunakan kapasitor 10 µF. Hasil
pengujian generator menggunakan beban resistif ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4. Hasil pengujian beban resistif
Kec. Putar
(rpm)
Jenis beban
500
Beban
(W)
Tegangan
(V)
10
20
30
40
50
Lampu pijar
202
184
168
154
141
250
Arus
(A)
Intensitas Cahaya
0,06
0,11
0,15
0,19
0,22
Terang
Terang
Terang
Terang
Redup
0,25
0,22
202
184
150
0,2
168
154
Arus (A)
Tegangan (V)
200
141
100
50
0,19
0,15
0,15
0,11
0,1
0,06
0,05
0
0
10
20
30
40
50
10
Beban (Watt)
20
30
40
50
Beban (Watt)
Gambar 9. Hubungan beban terhadap tegangan
Gambar 10. Hubungan beban terhadap arus
Berdasarkan hasil pengujian diatas, diketahui bahwa kapasitas beban penuh yang dapat
disuplai oleh generator dalam keadaan normal adalah sebesar 40 watt. Pada saat pengujian
menggunakan beban resistif berupa lampu pijar 50 watt yang dipasang paralel, intensitas cahaya dari
lampu redup dikarenakan adanya jatuh tegangan yang disebabkan oleh beban. Data menunjukkan
bahwa semakin bertambah kapasitas beban yang digunakan akan menyebabkan tegangan keluaran
generator induksi mengalami penurunan, dan sebaliknya ketika dilakukan penambahan beban secara
bertahap maka semakin besar arus yang diserap dari generator.
12
3.5 Pengujian generator dengan beban induktif
Pada pengujian beban induktif, motor penggerak dikopel dengan generator menggunakan puli dan vbelt. Generator diputar pada kecepatan putar 510 rpm frekuensi 52 Hz menggunakan kapasitor
berukuran 11 µF dengan tegangan awal 221 volt. Selanjutnya data hasil pengujian generator dengan
beban induktif berupa lampu TL akan ditunjukkan pada tabel 5.
Tabel 5. Hasil pengujian beban induktif
Kec. Putar
(rpm)
Jenis beban
Beban
(W)
Arus
(A)
Intensitas Cahaya
208
189,1
164
159,7
0,20
0,26
0,31
0,34
Terang
Terang
Sedikit redup
Redup
10
20
30
40
Lampu TL
500
Tegangan
(V)
250
208
189,1
164,6
150
159,7
Arus (A)
Tegangan (V)
200
100
50
0
10
20
30
40
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,34
0,31
0,26
0,2
10
Beban (Watt)
20
30
40
Beban (Watt)
Gambar 11. Hubungan beban terhadap tegangan
Gambar 12. Hubungan beban terhadap arus
Gambar 13. Pengujian generator beban induktif
Gambar 11 dan gambar 12 menjelaskan bahwa semakin besar daya beban induktif maka
tegangan keluaran dari generator semakin kecil, dan semakin besar daya beban induktif maka arus
yang diserap generator semakin besar. Besarnya arus yang mengalir pada generator menyebabkan
13
terjadinya drop tegangan pada belitan stator sehingga tegangan diterminal keluaran generator
menjadi semakin kecil. Hal ini terjadi karena beban induktif menyerap daya reaktif (VAr). Daya
reaktif yang dibangkitkan oleh kapasitor tidak sepenuhnya digunakan untuk mengeksitasi generator,
tetapi sebagian daya reaktif dari kapasitor digunakan untuk menyuplai beban induktif yang berupa
lampu TL. Data diatas menunjukkan bahwa suplai generator dapat beroperasi normal pada kondisi
beban penuh 20 watt. Ketika beban dinaikkan menjadi 30 watt intensitas dari cahaya lampu TL
sedikit redup, dan ketika beban dinaikkan lagi menjadi 40 watt kondisi lampu TL redup dikarenakan
adanya drop tegangan.
4.
PENUTUP
Perancangan generator induksi magnet permanen yang memanfaatkan motor induksi dilakukan
dengan merancang stator generator menjadi 12 kutub dengan jumlah belitan perkutub 340 belitan.
Rotor generator dirancang dengan cara memodifikasi yaitu dilakukan penanaman 12 pasang magnet
jenis neodymium berdimensi 35 x 15 x 7 mm berbentuk persegi panjang disusun melingkari rotor
dengan kedalaman 7,2 mm. Keluaran yang dihasilkan oleh generator induksi magnet permanen
dipengaruhi beberapa variabel diantaranya jumlah dan jenis magnet yang digunakan, jumlah belitan
stator, jumlah kutub, serta ukuran kapasitor yang digunakan.
Jumlah belitan stator berpengaruh terhadap tegangan keluaran generator, semakin banyak
jumlah slot stator maka akan semkin banyak juga jumlah lilitan yang digunakan dan ini
menyebabkan tegangan keluaran generator semakin besar. Akan tetapi, jika ingin memperbesar arus
keluaran generator maka ukuran kawat email yang digunakan harus lebih besar. Penggunaan
kapasitorpun akan berpengaruh terhadap tegangan keluaran generator dikarenakan kapasitor
berfungsi sebagai eksitasi pada saat proses pembangkitan tegangan. Hubungan antara beban yang
digunakan terhadap arus dan tegangan pada saat pengujian generator menggunakan beban resistif
dan induktif menghasilkan arus yang semakin besar dan tegangan yang semakin kecil ketika
kapasitas beban bertambah. Penulis berharap pada penelitian selanjutnya supaya dilakukan
pengembangan terhadap generator induksi magnet permanen dimana genrator dapat menyuplai
beban yang lebih besar.
PERSANTUNAN
Selama penyusunan tugas akhir ini penulis mendapat bantuan, dukungan serta saran dari berbagai
pihak, oleh karena itu dengan tulus ikhlas penulis mengucapkan terima kasih kepada:
14
1. Allah SWT yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas
akhir ini, serta Rasul Muhammad SAW yang memperjuangkan kita hambanya dari jaman
kebodohan.
2. Bapak Samino dan Ibu Ginem serta keluarga tercinta terima kasih atas do’a disetiap
sholatnya, nasihat dan semangatnya selama ini.
3. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
4. Bapak Umar, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
5. Bapak Agus Supardi, S.T., M.T. selaku Pembimbing yang selama ini mengarahkan dan
memberi dukungan kepada penulis dalam proses pengerjaan sampai terselesaikannya Tugas
Akhir ini.
6. Keluarga Mahasiswa Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta (KMTE UMS)
terimakasih atas kehangatannya selama ini.
7. ELEKTRO BERSATU 2012 Universitas Muhammadiyah Surakarta semoga sampai
kapanpun kekeluargaan ini tetap terjaga.
8. Seluruh pihak yang telah banyak memberikan bantuan kepada penulis dalam proses
pengerjaan dan penyelesaian Tugas Akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
Ahuja, R.K., dan A. Singh. 2014. Three Phase Self Excited Induction Generator Electronic Load
Controller Using Pi Controller. International Journal of Advanced Research in IT and
Engineering 3(3).
Grover, M., B.L. Kumar, dan I. Ramalla. 2014. The Free Energy Generator. International Journal
of Scientific and Research Publications 4(12).
Gupta, Ashish., dan S. Wadhwani. 2012. Analysis of Self-Excited Induction Generator for Isolated
System. International Journal Of Computational Engineering Research 2(2):353 – 358.
Irasari, P., dan N. Idayanti. 2009. Aplikasi Magnet Permanen BaFe12O19 dan NdFeB pada Generator
Magnet Permanen Kecepatan Rendah Skala Kecil. Jurnal Sains Materi Indonesia 11(1): 38-41.
Priandika.
2013.
Energi
dan
Dasar
Konversi
Energi
Elektrik.
http://backupkuliah.blogspot.co.id/2013/06/generator-induksi_2765.html. 03 Maret 2016
(8:29).
Sharma, P., T.S. Batthi, dan K.S.S. Ramakrishnan. 2011. Permanent Magnet Induction Generators:
An Overview. Journal of Engineering Science and Technology 6(3): 332-338.
Supardi, A., D.A. Prasetya, dan J. Susilo. 2014. Pengaruh Ukuran Kapasitor terhadap Karakteristik
Keluaran Generator Induksi 1 Fase. Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi
(SNAST) Yogyakarta. 15 November 2014:C71-78.
15
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
PUBLIKASI ILMIAH
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik
Oleh:
SAHID SHOLIHIN
D 400 120 031
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
HALAMAN PERSETUJUAN
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
PUBLIKASI ILMIAH
oleh:
SAHID SHOLIHIN
D 400 120 031
Telah diperiksa dan disetujui untuk diuji oleh:
Dosen Pembimbing
Agus Supardi, S.T, M.T
NIK.883
i
HALAMAN PENGESAHAN
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
OLEH
SAHID SHOLIHIN
D 400 120 031
Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji
Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Pada hari ……., ………. 2016
dan dinyatakan telah memenuhi syarat
Dewan Penguji:
(……..……..)
1. Agus Supardi, S.T., M.T
(Ketua Dewan Penguji)
(…………….)
2. Ir. Jatmiko, M.T.
(Anggota I Dewan Penguji)
(…………….)
3. Umar, S.T., M.T.
(Anggota II Dewan Penguji)
Dekan,
Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D
NIK. 682
ii
PERANCANGAN GENERATOR INDUKSI MAGNET PERMANEN
KECEPATAN RENDAH 12 KUTUB UNTUK APLIKASI PEMBANGKIT
LISTRIK TERBARUKAN
Abstrak
Krisis energi listrik yang terjadi di Indonesia menjadi persoalan yang belum
terselesaikan. Dari permasalahan tersebut dilakukan penelitian terkait energi listrik yang
nantinya dapat diaplikasikan di daerah terpencil dengan memanfaatkan sumber energi
terbarukan sebagai penggerak mulanya. Penelitian ini membahas tentang perancangan
generator induksi magnet permanen dengan memanfaatkan motor induksi. Perancangan
rotor generator dilakukan dengan menanam 12 pasang magnet permanen jenis
neodymium dimensi 35 x 15 x 7 mm. Perancangan stator generator dengan mengubah
frame stator yang berjumlah 48 slot menjadi 12 kutub dengan belitan berjumlah 4080.
Dalam penelitian ini dilakukan pengujian generator dengan kondisi tanpa beban dan
berbeban. Pengujian tanpa beban dilakukan dengan kondisi generator tanpa kapasitor,
menggunakan ukuran kapasitor tetap dan mengubah ukuran kapasitor. Pengujian
berbeban dilakukan dengan melakukan variasi berupa beban resistif dan beban induktif.
Generator induksi magnet permanen tak berbeban mampu menghasilkan tegangan 75
sampai 130,7 volt dan frekuensi 31,3 sampai 53,8 Hz ketika diputar dengan kecepatan
300 sampai 500 rpm tanpa menggunakan kapasitor. Saat duji ulang dengan mengubah
ukuran kapasitor dari 4 µF sampai 12 µF diperoleh tegangan 151,1 sampai 237,1 volt dan
frekuensi 50,3 sampai 50,9 Hz dengan kecepatan putar tetap 500 rpm. Pengujian tanpa
beban selanjutnya dengan kapasitor tetap 10 µF menghasilkan tegangan 88 sampai 221
volt dan frekuensi 30,3 sampai 50,8 Hz dengan kecepatan putar dari 300 sampai 500 rpm.
Berdasarkan hasil pengujian terbukti bahwa kapasitor berperan sebagai eksitasi dalam
proses pembangkitan tegangan. Pada saat pembebanan resistif antara 10 sampai 50 watt
mengakibatkan generator mengalami penurunan tegangan dari 202 sampai 141 volt dan
kenaikan arus 0,06 sampai 0,22 ampere, sedangkan pembebanan induktif berupa lampu
TL 10 sampai 40 watt mengakibatkan generator mengalami penurunan tegangan dari 208
sampai 159,7 volt dan kenaikan arus 0,20 sampai 0,34 ampere. Peningkatan daya beban
menyebabkan penurunan tegangan dan kenaikan arus.
Kata kunci: energi listrik, generator induksi magnet permanen, kapasitor, tegangan
Abstract
Electrical energy crisis that occurred in Indonesia is still an unresolved issues. From the
problems related to research conducted electrical energy that can later be applied in
remote areas by utilizing renewable energy sources as a driving source. This study
discusses the design of a permanent magnet induction generator by utilizing an induction
motor. Generator rotor design is done by implanting 12 pairs of permanent magnet type
neodymium with dimensions of 35 x 15 x 7 mm. The design of the generator stator by
changing the stator frame of 48 slots to 12 poles with winding numbered 4080. In this
research, the testing generator with no load and load conditions. Testing without a load
carried by the condition of the generator without the capacitor, the capacitor using a fixed
size and change the size of the capacitor. Load testing is done by the variation in the form
of a resistive load and inductive load. Permanent magnet induction generator with noloads is able to generate voltages up to 75 to 130,7 volts and frequency 31.3 up to 53.8
1
Hz when rotated at speeds of 300 to 500 rpm without using capacitors. When retested by
changing capacitor size from 4 μF to 12 μF is resulted 151.1 to 237.1 volts voltage and
frequency 50.3 to 50.9 Hz with fixed rotational speed of 500 rpm. Furthermore, next
experiment in no-loads condition with 10 μF Capacitors still generate a voltage 88 to 221
volts and frequency 30.3 to 50.8 Hz with a rotational speed of 300 to 500 rpm. Based on
the test results proved that the capacitor acts as the excitation of voltage generation
process. When the resistive load between 10 to 50 watts resulting voltage generator
decreased from 202 to 141 volts and the current rise of 0.06 to 0.22 amperes, whereas the
inductive load in the form of fluorescent lamp 10 to 40 watts resulting voltage generator
decreased from 208 to 159.7 volts and current rise 0.20 to 0.34 amperes . The
improvement of power load causes a decrease in the voltage and currrent rise.
Keywords: electrical energy, permanent magnet generator induction, capacitors, voltage
1. PENDAHULUAN
Listrik menjadi salah satu aspek penting dalam kehidupan, sehingga di era modern ini banyak
penelitian yang dilakukan terkait energi listrik. Mengingat pentingnya listrik bagi kehidupan
manusia, maka aspek-aspek yang terkait pada dunia kelistrikan memerlukan perhatian yang lebih,
mulai dari bagaimana listrik tersebut dapat dihasilkan kemudian sampai tersalurkan ke beban. Akan
tetapi masalah krisis energi listrik masih menjadi salah satu persoalan yang belum bisa diatasi oleh
Negara Indonesia dikarenakan tidak seimbangnya antara peningkatan kebutuhan daya listrik
terhadap kapasitas pembangkit yang tersedia.
Banyak teknologi baru ditemukan dalam waktu tertentu yang mengakibatkan perbedaan
sudut pandang mengenai energi listrik. Sehubungan dengan hal tersebut, ada kesalahpahaman
mengenai free energy. Tidak ada energi yang bernilai gratis. Tenaga surya, angin, ombak, panas
bumi dan air dapat diperoleh secara gratis setelah kita mulai menggunakan metode dalam
menghasilkan listrik yang juga membutuhkan biaya modal dalam pembuatannya. Energi dapat
dikatakan gratis jika kita tidak harus membayar sejumlah biaya untuk daya listrik yang telah
dibangkitkan dengan metode non konvensional dalam pembangkitan daya listrik (Grover et al,
2014).
Permintaan akan sumber energi hijau telah menyebabkan pembangunan dibidang tenaga
surya dan tenaga angin tapi karena keduanya tergantung pada faktor-faktor eksternal seperti cuaca,
kondisi ini menjadi masalah tetap yang menyebabkan pasokan energi yang kurang stabil ( Ahuja dan
Singh, 2014). Melihat negara Indonesia merupakan negara kepulauan, dimana banyak sekali sumber
daya alam (SDA) yang dapat dimanfaatkan seperti air, angin dan cahaya matahari, memungkinkan
sekali untuk memanfaatkan SDA tersebut dalam pembangkitan listrik supaya persebaran listrik dapat
merata terutama daerah terpencil.
2
Pada umumnya, suatu daerah terpencil akan membutuhkan suatu pembangkit yang
mempunyai sistem sederhana, mudah perawatannya dan dapat dioperasikan oleh masyarakat
disekitarnya. Salah satu komponen utama yang menjadi pertimbangan dalam perencanaan sistem
pembangkit adalah jenis generator yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi
listrik. Dalam penelitiannya mengenai SEIG (Self Excitation Induction Generator ), Gupta dan
Wadhwani (2012) menjelaskan secara umum generator induksi tereksitasi diri digunakan dalam
sistem energi non konvensional seperti angin, air dan lain lain. Generator jenis ini secara umum
sangat cocok digunakan di daerah pedesaan terpencil karena dapat dioperasikan pada kondisi dan
variasi beban yang berbeda.
Generator induksi merupakan salah satu alternatif diantara beberapa jenis generator lainnya.
Generator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi
untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara
mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi
biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator
induksi sangat berguna pada aplikasi-aplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin angin,
atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan
energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana (Priandika, 2013). Akan tetapi, Sharma et al.
(2011) dalam penelitinnya menjelaskan bahwa generator induksi memiliki kelemahan terhadap
regulasi tegangan karena memerlukan arus magnetisasi sebagai eksitasi. Faktor daya, regulasi
tegangan dan efisiensi dalam menghasilkan energi listrik dapat ditingkatkan menggunakan magnet
permanen.
Tegangan induksi generator dapat dihitung melalui persamaan berikut:
(1)
dimana:
Erms
: Tegangan efektif induksi generator (V)
N
: jumlah lilitan
f
: frekuensi (Hz)
: fluks maksimum (Wb)
Ns
: jumlah kumparan/slot
Nph
: jumlah fasa
3
Frekuensi ditentukan dengan persamaan berikut:
(2)
dimana:
f
: frekuensi (Hz)
nr
: Kecepatan rotor (rpm)
P
: Jumlah kutub
Magnet permanen digunakan untuk menghasilkan fluks magnet. Fluks maksimum magnet
(
max)
dapat ditentukan dengan persamaan :
(3)
dengan :
(4)
dan
(5)
dimana:
Amagn : luasan medan magnet(m2)
Bmax
: kerapatan fluks magnet maksimum (T)
ro
: radius luar magnet (m)
ri
: radius dalam magnet (m)
Nm
: Jumlah magnet
: jarak antar magnet (m)
Br
: kerapatan fluks magnet (T)
lm
: tinggi magnet (m)
: lebar celah udara (m)
Tugas akhir ini akan merancang sebuah generator induksi magnet permanen dengan
memanfaatkan motor induksi. Perancangan yang dilakukan adalah dengan mengubah jumlah kutub
stator menjadi 12 kutub dan melakukan modifikasi pada rotor dengan cara memasang magnet
4
neodymium yang berjumlah 12 dengan dimensi 35 x 15 x 7 mm berbentuk persegi panjang dengan
cara menanamkan magnet kedalam rotor motor induksi. Magnet deodymium yang juga dikenal
sebagai NdFeB merupakan jenis magnet permanen yang paling kuat, dan juga memiliki karakteristik
magnet yang lebih baik bila dibandingkan dengan magnet
lainnya seperti Ferit, Alnico dan
Samarium cobalt (Irasari dan Idayanti, 2007). Pengujian generator ini akan dilakukan dengan cara
dikopel secara langsung dengan penggerak mula, lalu dihubungkan ke beban resisitif, beban induktif
maupun tanpa beban. Harapannya penelitian ini bisa menjadi salah satu cara yang efektif dalam
menangani masalah krisis energi listrik di Indonesia.
2. METODE
Dalam penelitian ini, langkah yang pertama dilakukan adalah dengan melakukan studi literatur. Hal
ini dilakukan untuk mengumpulkan data terkait penelitian yang akan dilakukan guna pematangan
konsep. Pengumpulan data berupa jurnal publikasi ilmiah, artikel ilmiah, buku-buku, media online
(internet), dimana data tersebut digunakan sebagai acuan dalam mengerjakan penelitian ini.
Perancangan alat diawali dengan merancang stator. Langkah selanjutnya yaitu melakukan
modifikasi rotor generator dengan menanamkan magnet permanen yang berfungsi untuk
menghasilkan induksi. Pembuatan alat diawali dengan mengumpulkan bahan-bahan yang dibutuhkan
dalam pembuatan generator induksi magnet permanen. Pada prosesnya, pembuatan dilakukan
dengan bantuan bengkel bubut, sehingga diperoleh hasil yang presisi sesuai yang direncanakan.
Pengujian alat dilakukan dengan tanpa beban dan berbeban. Pengujian tanpa beban dilakukan
dengan beberapa cara yaitu ketika generator tanpa menggunakan kapasitor dalam pengoperasiannya.
Selanjutnya pengujian tanpa beban dengan cara memvariasi ukuran kapasitor dan terakhir dengan
cara mengubah kecepatan putar dengan kapasitor tetap. Pengujian berbeban menggunakan beban
resisitif berupa lampu
pijar dan menggunakan beban induktif berupa lampu TL dengan
menggunakan kapasitor tetap. Pengujian dilakukan dalam skala laboratorium yaitu di Laboratorium
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Analisa dilakukan dengan membandingkan data hasil pengujian ketika generator beroperasi
tanpa beban maupun menggunakan beban. Data yang diperoleh dari pengujian tanpa beban berupa
kecepatan putar (rpm), frekwensi (Hz), dan tegangan (V), sedangkan data hasil pengujian berbeban
berupa kecepatan putar awal (rpm), jenis beban yang digunakan, daya (Watt), tegangan (V), arus (A)
dan intensitas cahaya. Tahapan yang dilakukan dalam penelitian dapat dilihat pada flowchart
penelitian berikut:
5
Mulai
Studi Literatur
Merancang generator induksi magnet permanen
Membuat generator induksi magnet permanen
perbaikan
Apakah
generator
bekerja dengan
baik ?
tidak
ya
Pengujian
Tanpa Beban ( tanpa kapasitor,
variasi ukuran kapasitor, kapasitor
tetap)
Variasi Beban ( Resistif dan
Induktif)
Apakah data
pengujian
sudah sesuai ?
tidak
ya
Analisa Hasil
Pembuatan Laporan
Selesai
Gambar 1. Flowchart Penelitian
6
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Bentuk dan desain alur belitan stator
Stator memiliki jumlah slot sebanyak 48 yang dibagi menjadi 12 kutub. Kawat tembaga (email) yang
digunakan untuk melilit adalah kawat berjenis jerman ukuran 0.45 mm. Jumlah alur perkutub yang
digunakan yaitu 4 alur.
Gambar 2. Alur perancangan lilitan stator generator
Gambar 2 menunjukkan alur perancangan lilitan pada stator generator induksi magnet
permanen. Langkah pertama menggulung kawat tembaga sebanyak 170 belitan lalu dipasang pada
slot nomor 2 (masukan) dan slot nomor 3 (keluaran), kemudian keluaran slot nomor 3 digulung
sebanyak 170 belitan pada slot nomor 1 (masukan) da slot nomor 4 (keluaran). Langkah yang
berikutnya keluaran slot nomor 4 dibuat gulungan sebanyak 170 belitan yang dipasang pada slot
nomor 7 (masukan) dan slot nomor 6 (keluaran). Keluaran dari slot nomor 6 dibuat lagi sebanyak
170 belitan yang dipasang pada slot nomor 8 (masukan) dan slot nomor 5 (keluaran). Langkah ini
dilakukan seterusnya sampai dengan slot terakhir, sehingga diperoleh total jumlah belitan
perkutubnya adalah 340 belitan. Bentuk stator pada generator yang digunakan dapat dilihat pada
gambar 3.
Gambar 3. Bentuk stator
7
3.2 Bentuk dan desain rotor yang digunakan
Dilakukan modifikasi pada rotor generator dengan menanamkan 12 buah magnet permanen jenis
neodymium berdimensi 35 x 15 x 7 mm berbentuk persegi panjang disusun melingkari rotor. Rotor
dibor menggunakan mesin EDM menyesuaikan dimensinya dengan kedalaman 7.1 mm. Bentuk
desain pemasangan magnet ke dalam rotor dapat dilihat pada gambar 4 dan bentuk magnet
neodymium yang digunakan dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 4. Desain pemasangan magnet pada rotor generator
Gambar 5. Bentuk magnet permanen neodymium
3.3 Pengujian generator tanpa beban
Pengujian tanpa beban generator induksi magnet permanen menggunakan sebuah motor induksi
sebagai penggerak mulanya (prime mover ). Motor induksi dikopel dengan generator menggunakan
puli dan v-belt. Putaran motor induksi akan diatur menggunakan Voltage Regulator (VR) sehingga
diperoleh data yang bervariasi.
Pengujian generator tanpa beban dilakukan dengan 3 cara. Pengujian pertama dengan
melakukan pengaturan variasi kecepatan putar generator dari 300 sampai 500 rpm tanpa
menggunakan kapasitor yang terhubung pada terminal jangkar dan hasil pengujian ditunjukkan pada
tabel 1.
8
Pengujian kedua dengan mempertahankan kecepatan putar generator pada 500 rpm dengan
melakukan variasi kapasitor dari ukuran 4 uF sampai 12 uF dan hasilnya ditunjukkan pada tabel 2.
Terakhir pengujian generator tanpa beban dilakukan dengan melakukan variasi kecepatan putar dari
300 sampai 500 rpm dengan menggunakan kapasitor berukuran 10 uF terhubung pada terminal
jangkar. Hasil pengujian ketiga ditunjukkan pada tabel 3.
Tabel 1. Hasil pengujian tanpa kapasitor
Kecepatan putar (rpm)
300
350
400
450
500
Frekuensi (Hz) &
Tegangan (V)
No.
1
2
3
4
5
Tegangan (V)
75,0
84,9
100,3
108,6
130,7
Frekuensi (Hz)
31,3
35,3
41,7
44,8
53,8
150
130,7
100
75
84,9
31,3
35,3
50
100,3
108,6
41,7
44,8
53,8
Frekuensi
Tegangan
0
300
350
400
450
500
Kecepatan putar (rpm)
Gambar 6. Hubungan kecepatan putar terhadap frekuensi dan tegangan dalam kondisi tanpa
kapasitor
Tabel 1 dan gambar 6 menunjukkan bahwa generator dapat membangkitkan tegangan tanpa
adanya bantuan kapasitor. Hal ini menjelaskan bahwa generator beroperasi sebagai generator magnet
permanen, dimana medan magnet pada rotor akan ikut berputar menginduksi lilitan pada stator
sehingga timbul gaya gerak listrik berupa tegangan. Dari gambar 6 dapat disimpulkan bahwa
kecepatan putar generator berbanding lurus terhadap frekuensi dan tegangan. Ketika kecepatan putar
dinaikkan, maka frekuensi dan tegangan akan mengalami kenaikan. Tegangan terendah diperoleh
pada kecepatan 300 rpm dengan nilai tegangan 75 Volt pada frekuensi 31,3 hz. Kecepatan putar
diubah pada setiap kenaikan 50 rpm. Tegangan tertinggi pengujian generator tanpa menggunakan
kapasitor diperoleh pada kecepatan putar maksimal 500 rpm dengan nilai 130,7 Volt pada frekuensi
53,8 Hz.
9
Tabel 2. Hasil pengujian dengan kec. putar tetap 500 rpm
No.
1
2
3
4
5
Ukuran Kapasitor (µF)
4
6
8
10
12
Tegangan (V)
151,1
169,6
194,3
218,6
237,1
Frekuensi (Hz)
50,3
50,5
50,5
50,7
50,9
Frekuensi (Hz) & Tegangan (V)
250
237,1
218,6
200
194,3
169,6
151,1
150
Frekuensi
100
Tegangan
50
50,5
50,3
50,9
50,7
50,5
0
4
6
8
10
12
Kapasitor (µF)
Gambar 7. Hubungan ukuran kapasitor terhadap frekuensi dan tegangan
Tabel 2 dan gambar 7 menunjukkan bahwa semakin besar ukuran kapasitor semakin besar
pula tegangan generator induksinya. Hal ini sesuai dengan penelitian yang pernah dilakukan oleh
Supardi et al. (2014) bahwa kapasitor berfungsi sebagai eksitasi generator induksi pada saat proses
pembangkitan tegangan pada belitan stator generator induksi. Semakin besar kapasitansi kapasitor,
nilai impedansi semakin kecil dan arus eksitasi yang dialirkan oleh kapasitor semakin besar.
Semakin besar arus eksitasi, tegangan induksi akan semakin besar.
Ukuran kapasitor juga akan berpengaruh terhadap frekuensi generator walaupun tidak terlalu
signifikan perubahannya. Pengambilan data sebanyak 5 kali pengujian, dengan mengubah ukuran
kapasitor agar diketahui hasil data yang sesuai standar PLN. Saat generator diputar pada kecepatan
500 rpm, diperoleh nilai tegangan sebesar 218,6 Volt pada frekwensi 50,7 Hz dan kapasitor yang
terpasang pada terminal keluaran generator adalah 10 µF.
10
Tabel 3. Hasil pengujian dengan kapasitor tetap 10 µF
Frekuensi (Hz) & Tegangan (V)
No.
1
2
3
4
5
Kecepatan putar (rpm)
300
350
400
450
504
Tegangan (V)
88,0
114,4
140,3
176,4
221,0
Frekuensi (Hz)
30,3
35,8
40,2
45,6
50,8
250
221
200
176,4
150
140,3
114,4
100
Frekuensi
88
Tegangan
50
45,6
40,2
35,8
30,3
50,8
0
300
350
400
450
500
Kecepatan putar (rpm)
Gambar 8. Hubungan kecepatan putar terhadap frekuensi dan tegangan dengan kapasitor tetap
Tabel 3 dan gambar 8 menunjukkan adanya hubungan antara kecepatan putar terhadap
frekuensi dan tegangan keluaran generator. Semakin tinggi kecepatan putar generator maka frekuensi
dan tegangan keluaran akan semakin tinggi. Terbukti dari data yang diperoleh pada saat generator
berputar pada kecepatan 300 rpm diperoleh nilai tegangan 88,0 Volt pada frekuensi 30,3 Hz, dan
pada saat generator diputar pada kecepatan 504 rpm menghasilkan tegangan keluaran sebesar 221
Volt pada frekuensi 50,8 Hz. Terbangkitnya tegangan ini juga dikarenakan adanya bantuan eksitasi
dari kapasitor 10 µF yang terpasang pada terminal keluaran generator.
Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan, penambahan kapasitor sangat berpengaruh
terhadap tegangan keluaran dan frekuensi generator dibandingkan saat generator dioperasikan tanpa
kapasitor. Hal ini dibuktikan dari data yang terdapat pada tabel 1 dan tabel 3. Dapat dilihat ketika
pengujian generator tanpa kapasitor pada kecepatan putar 500 rpm hanya mampu menghasilkan
tegangan keluaran sebesar 130,7 volt pada frekuensi 53,8 Hz, sedangkan pengujian menggunakan
kapasitor 10 µF pada kecepatan putar 504 rpm dapat membangkitkan tegangan keluaran generator
221,0 volt pada frekuensi 50,8 Hz.
11
3.4 Pengujian generator dengan beban resistif
Pengujian berbeban dilakukan dengan cara yang sama seperti pengujian tanpa beban, dimana motor
penggerak dikopel dengan generator menggunakan puli dan v-belt. Kecepatan putar generator
dipertahankan pada 520 rpm, 222 volt, frekuensi 52 Hz menggunakan kapasitor 10 µF. Hasil
pengujian generator menggunakan beban resistif ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4. Hasil pengujian beban resistif
Kec. Putar
(rpm)
Jenis beban
500
Beban
(W)
Tegangan
(V)
10
20
30
40
50
Lampu pijar
202
184
168
154
141
250
Arus
(A)
Intensitas Cahaya
0,06
0,11
0,15
0,19
0,22
Terang
Terang
Terang
Terang
Redup
0,25
0,22
202
184
150
0,2
168
154
Arus (A)
Tegangan (V)
200
141
100
50
0,19
0,15
0,15
0,11
0,1
0,06
0,05
0
0
10
20
30
40
50
10
Beban (Watt)
20
30
40
50
Beban (Watt)
Gambar 9. Hubungan beban terhadap tegangan
Gambar 10. Hubungan beban terhadap arus
Berdasarkan hasil pengujian diatas, diketahui bahwa kapasitas beban penuh yang dapat
disuplai oleh generator dalam keadaan normal adalah sebesar 40 watt. Pada saat pengujian
menggunakan beban resistif berupa lampu pijar 50 watt yang dipasang paralel, intensitas cahaya dari
lampu redup dikarenakan adanya jatuh tegangan yang disebabkan oleh beban. Data menunjukkan
bahwa semakin bertambah kapasitas beban yang digunakan akan menyebabkan tegangan keluaran
generator induksi mengalami penurunan, dan sebaliknya ketika dilakukan penambahan beban secara
bertahap maka semakin besar arus yang diserap dari generator.
12
3.5 Pengujian generator dengan beban induktif
Pada pengujian beban induktif, motor penggerak dikopel dengan generator menggunakan puli dan vbelt. Generator diputar pada kecepatan putar 510 rpm frekuensi 52 Hz menggunakan kapasitor
berukuran 11 µF dengan tegangan awal 221 volt. Selanjutnya data hasil pengujian generator dengan
beban induktif berupa lampu TL akan ditunjukkan pada tabel 5.
Tabel 5. Hasil pengujian beban induktif
Kec. Putar
(rpm)
Jenis beban
Beban
(W)
Arus
(A)
Intensitas Cahaya
208
189,1
164
159,7
0,20
0,26
0,31
0,34
Terang
Terang
Sedikit redup
Redup
10
20
30
40
Lampu TL
500
Tegangan
(V)
250
208
189,1
164,6
150
159,7
Arus (A)
Tegangan (V)
200
100
50
0
10
20
30
40
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0,34
0,31
0,26
0,2
10
Beban (Watt)
20
30
40
Beban (Watt)
Gambar 11. Hubungan beban terhadap tegangan
Gambar 12. Hubungan beban terhadap arus
Gambar 13. Pengujian generator beban induktif
Gambar 11 dan gambar 12 menjelaskan bahwa semakin besar daya beban induktif maka
tegangan keluaran dari generator semakin kecil, dan semakin besar daya beban induktif maka arus
yang diserap generator semakin besar. Besarnya arus yang mengalir pada generator menyebabkan
13
terjadinya drop tegangan pada belitan stator sehingga tegangan diterminal keluaran generator
menjadi semakin kecil. Hal ini terjadi karena beban induktif menyerap daya reaktif (VAr). Daya
reaktif yang dibangkitkan oleh kapasitor tidak sepenuhnya digunakan untuk mengeksitasi generator,
tetapi sebagian daya reaktif dari kapasitor digunakan untuk menyuplai beban induktif yang berupa
lampu TL. Data diatas menunjukkan bahwa suplai generator dapat beroperasi normal pada kondisi
beban penuh 20 watt. Ketika beban dinaikkan menjadi 30 watt intensitas dari cahaya lampu TL
sedikit redup, dan ketika beban dinaikkan lagi menjadi 40 watt kondisi lampu TL redup dikarenakan
adanya drop tegangan.
4.
PENUTUP
Perancangan generator induksi magnet permanen yang memanfaatkan motor induksi dilakukan
dengan merancang stator generator menjadi 12 kutub dengan jumlah belitan perkutub 340 belitan.
Rotor generator dirancang dengan cara memodifikasi yaitu dilakukan penanaman 12 pasang magnet
jenis neodymium berdimensi 35 x 15 x 7 mm berbentuk persegi panjang disusun melingkari rotor
dengan kedalaman 7,2 mm. Keluaran yang dihasilkan oleh generator induksi magnet permanen
dipengaruhi beberapa variabel diantaranya jumlah dan jenis magnet yang digunakan, jumlah belitan
stator, jumlah kutub, serta ukuran kapasitor yang digunakan.
Jumlah belitan stator berpengaruh terhadap tegangan keluaran generator, semakin banyak
jumlah slot stator maka akan semkin banyak juga jumlah lilitan yang digunakan dan ini
menyebabkan tegangan keluaran generator semakin besar. Akan tetapi, jika ingin memperbesar arus
keluaran generator maka ukuran kawat email yang digunakan harus lebih besar. Penggunaan
kapasitorpun akan berpengaruh terhadap tegangan keluaran generator dikarenakan kapasitor
berfungsi sebagai eksitasi pada saat proses pembangkitan tegangan. Hubungan antara beban yang
digunakan terhadap arus dan tegangan pada saat pengujian generator menggunakan beban resistif
dan induktif menghasilkan arus yang semakin besar dan tegangan yang semakin kecil ketika
kapasitas beban bertambah. Penulis berharap pada penelitian selanjutnya supaya dilakukan
pengembangan terhadap generator induksi magnet permanen dimana genrator dapat menyuplai
beban yang lebih besar.
PERSANTUNAN
Selama penyusunan tugas akhir ini penulis mendapat bantuan, dukungan serta saran dari berbagai
pihak, oleh karena itu dengan tulus ikhlas penulis mengucapkan terima kasih kepada:
14
1. Allah SWT yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas
akhir ini, serta Rasul Muhammad SAW yang memperjuangkan kita hambanya dari jaman
kebodohan.
2. Bapak Samino dan Ibu Ginem serta keluarga tercinta terima kasih atas do’a disetiap
sholatnya, nasihat dan semangatnya selama ini.
3. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
4. Bapak Umar, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
5. Bapak Agus Supardi, S.T., M.T. selaku Pembimbing yang selama ini mengarahkan dan
memberi dukungan kepada penulis dalam proses pengerjaan sampai terselesaikannya Tugas
Akhir ini.
6. Keluarga Mahasiswa Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta (KMTE UMS)
terimakasih atas kehangatannya selama ini.
7. ELEKTRO BERSATU 2012 Universitas Muhammadiyah Surakarta semoga sampai
kapanpun kekeluargaan ini tetap terjaga.
8. Seluruh pihak yang telah banyak memberikan bantuan kepada penulis dalam proses
pengerjaan dan penyelesaian Tugas Akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
Ahuja, R.K., dan A. Singh. 2014. Three Phase Self Excited Induction Generator Electronic Load
Controller Using Pi Controller. International Journal of Advanced Research in IT and
Engineering 3(3).
Grover, M., B.L. Kumar, dan I. Ramalla. 2014. The Free Energy Generator. International Journal
of Scientific and Research Publications 4(12).
Gupta, Ashish., dan S. Wadhwani. 2012. Analysis of Self-Excited Induction Generator for Isolated
System. International Journal Of Computational Engineering Research 2(2):353 – 358.
Irasari, P., dan N. Idayanti. 2009. Aplikasi Magnet Permanen BaFe12O19 dan NdFeB pada Generator
Magnet Permanen Kecepatan Rendah Skala Kecil. Jurnal Sains Materi Indonesia 11(1): 38-41.
Priandika.
2013.
Energi
dan
Dasar
Konversi
Energi
Elektrik.
http://backupkuliah.blogspot.co.id/2013/06/generator-induksi_2765.html. 03 Maret 2016
(8:29).
Sharma, P., T.S. Batthi, dan K.S.S. Ramakrishnan. 2011. Permanent Magnet Induction Generators:
An Overview. Journal of Engineering Science and Technology 6(3): 332-338.
Supardi, A., D.A. Prasetya, dan J. Susilo. 2014. Pengaruh Ukuran Kapasitor terhadap Karakteristik
Keluaran Generator Induksi 1 Fase. Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi
(SNAST) Yogyakarta. 15 November 2014:C71-78.
15