ABSTRAK
PEMBUATAN DAN PENENTUAN HAMBATAN DALAM GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK
Oleh :
Agus Riadi
NIM :101424037
Penelitian ini bertujuan untuk membuat generator sinkron dengan menggunakan rangka akrilik dan menentukan hambatan dalam . Hambatan dalam ditentukan dengan melakukan variasi pada putaran rotor. Putaran yang digunakan dalam pengukuran (133,4 rpm), (214,9 rpm), (226,9 rpm), (359,6 rpm), (427,2 rpm), (555,1 rpm), (718,4 rpm), (892,7 rpm). Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah tegangan listrik, arus listrik, kecepatan putar. Hambatan dalam yang dihasilkan oleh generator sinkron adalah (6,10 Ω)
ABSTRACT
THE MANUFACTURE AND DETERMINATION OF THE INTERNAL RESISTANCE ACRYLIC FRAME SYNCHRONOUS GENERATOR
By :
Agus Riadi
NIM : 101424037
This research aims to create a synchronous generator using acrylic frame and determine it’s internal resistance . To determine the internal resistance, the revolution of the rotor was
varied. The rotation speed of the rotor ware 133.4 rpm, 214.9 rpm, 226.9 rpm, 359.6 rpm, 427.2 rpm, 555.1 rpm, 718.4 rpm, 892.7 rpm. The parameters measured in this study are the voltage, electric current, rotational speed. Internal resistance produced by the synchronous generator is 6,10 Ω.
PEMBUATAN DAN PENENTUAN HAMBATAN DALAM (���) GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan Program Studi Pendidikan Fisika
Oleh : AGUS RIADI NIM : 101424037
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
PEMBUATAN DAN PENENTUAN HAMBATAN DALAM (���) GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan Program Studi Pendidikan Fisika
Oleh : AGUS RIADI NIM : 101424037
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2016
HALAMAN PERSEMBAHAN
Skripsi ini penulis persembahkan untuk :
MY MIGHTY LORD JESUS CHRIST
Ia membuat segala sesuatu indah pada waktunya, bahkan ia
memberikan kekekalan dalam hati mereka. Tetapi manusia tidak
dapat menyelami pekerjaan yang dilakukan Allah dari awal
sampai akhir.
(Pengkhotbah 3:11)
Bapak Mahmudin Ogoi dan Ibu Friskila
Adikku Arif Riyadi
Delvie Naberia
Almamaterku
ABSTRAK
PEMBUATAN DAN PENENTUAN HAMBATAN DALAM (���) GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK
Oleh :
Agus Riadi
NIM :101424037
Penelitian ini bertujuan untuk membuat generator sinkron dengan menggunakan rangka akrilik dan menentukan hambatan dalam (���). Hambatan dalam (���) ditentukan dengan melakukan variasi pada putaran rotor. Putaran yang digunakan dalam pengukuran (133,4 rpm), (214,9 rpm), (226,9 rpm), (359,6 rpm), (427,2 rpm), (555,1 rpm), (718,4 rpm), (892,7 rpm). Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah tegangan listrik, arus listrik, kecepatan putar. Hambatan dalam(���) yang dihasilkan oleh generator sinkron adalah (6,10 Ω)
Kata Kunci : Generator sinkron, hambatan dalam (���).
ABSTRACT
THE MANUFACTURE AND DETERMINATION OF THE INTERNAL RESISTANCE (���) ACRYLIC FRAME SYNCHRONOUS GENERATOR
By :
Agus Riadi
NIM : 101424037
This research aims to create a synchronous generator using acrylic frame and determine it’s internal resistance (���). To determine the internal resistance, the revolution of the rotor was varied. The rotation speed of the rotor ware 133.4 rpm, 214.9 rpm, 226.9 rpm, 359.6 rpm, 427.2 rpm, 555.1 rpm, 718.4 rpm, 892.7 rpm. The parameters measured in this study are the voltage, electric current, rotational speed. Internal resistance (���) produced by the synchronous
generator is 6,10 Ω.
Keywords : impedance, Generator synchronous, the internal resistance (���).
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan berkat-Nya yang berlimpah sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul : PEMBUATAN DAN
PENENTUAN HAMBATAN DALAM (���) GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK.
Penulisan skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi dalam memperoleh gelar Sarjana Pendidikan Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam, Program Studi Pendidikan Fisika, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Dalam mempersiapkan, menyusun dan menyelesaikan skripsi ini, penulis tidak lepas dari bimbingan serta bantuan yang diberikan oleh semua pihak. Maka pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak A. Prasetyadi, M.Si selaku dosen pembimbing dan dosen program studi Pendidikan Fisika yang dengan penuh kesabaran telah membimbing, membantu, mendampingi, memotivasi serta meluangkan waktunya kepada penulis selama masa perkuliahan, penelitian dan proses penulisan skripsi ini.
2. Bapak Rohandi, Ph. D., selaku Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sanata Dharma
3. Bapak Ign. Edi Santosa, M.Si. Selaku Ketua Program Studi Pendidikan Fisika, Universitas Sanata Dharma.
4. Bapak Mahmudin Ogoi dan Ibu Friskila yang selama ini selulu mendoakan, memberikan semangat, dukungan, memotivasi dan membantu penulis dalam banyak hal.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ...iii
HALAMAN PENGESAHAN ...iv
HALAMAN PERYATAAN KEASLIAN KARYA ...vi
HALAMAN PERYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASIILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ...vii
BAB I PENDAHULUAN ...1
A. Latar Belakang ...1
B. Rumusan Masalah ...2
C. Batasan Masalah ...3
D. Tujuan Penelitian ...3
E. Manfaat Penelitian ...3
F. Sistematika Penulisan ...4
BAB II DASAR TEORI ...5
A. Impedansi ...5
B. Hukum Faraday ...7
C. Generator Sinkron ...11
D. Konstruksi Generator Sinkron ...12
a. Stator ...13
b. Rotor ...13
c. Jumlah Kutub ...13
E. Reaktansi Sinkron Magnet Permanen setara Generator AC ...14
F. Generator Sinkron tanpa Beban ...15
G. Generator Sinkron dengan Beban ...16
BAB III METODELOGI PENELITIAN ...18
A. Tempat dan Waktu Pelaksnaaan ...18
B. Desain Penelitian ...18
1. Desain Ukuran Rangka ...18
2. Menggunakan Seng Galvanis ...20
3. Jenis Ukuran dan Jumlah Magnet yang Digunakan ...21
4. Lilitan Kawat Email ...21
C. Parameter Yang Diukur ...24
1. Tegangan Terminal Keluaran (��) ...24
2. Kecepatan Anguler (�) ...24
3. Arus (I) ...25
4. Beban (��) ...26
5. Menentukan Jari-jari (r) dan Panjang (L) pada Generator Ginkron ...26
6. Menentukan Impedansi (��) pada Generator Sinkron...27
7. Menentukan Hambatan Dalam (���) pada Generator Sinkron ...27
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...28
A. Hasil Pengukuran Arus dan Tegangan Pada Generator Sinkron ...28
B. Hasil Pengukuran Putaran Rotor N (rpm) dan Tegangan Pada Generator Sinkron ...29
C. Hasil Pengukuran Tegangan (V) dan Perhitungan Kecepatan Angular (�) pada Generator Sinkron ...31
D. Nilai Tegangan Reaktansi ...32
E. Nilai Arus (I) ...34
F. Impedansi (��) dari Generator Sinkron ...36
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...38
A. Kesimpulan ...38
B. Saran ...39
DAFTAR PUSTAKA ...40
LAMPIRAN ...41
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Tabel 4.1. Tabel tahanan �� dari gradien pengaruh tegangan terhadap arus ...29
Tabel 4.2. Tabel rapat medan magnetik (B) efektif dari grafik pengaruh kecepatan anguler (�) terhadap tegangan (V) ...32
Tabel 4.3. Data perhitungan nilai tegangan reaktansi �� pada generator sinkron ...33
Tabel 4.4. Data perhitungan nilai arus I pada generator sinkron ...35
Tabel 4.5. Data perhitungan nilai impedansi pada generator sinkron...36
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Grafik pengaruh kecepatan angular terhadap tegangan ...10
Gambar 2.2. Rangkaian generator sinkron dengan beban ...15
Gambar 2.3. Rangkaian generator sinkron tanpa beban berlakunya hubungan �0 dan ���� .15 Gambar 2.4. Rangkaian generator sinkron dengan beban ...16
Gambar 3.1. Desain rangka generator sinkron pada CorelDraw X6. (1) Stator, (2) Stator (3) Rotor (4) Stator ...19
Gambar 3.2. Rangka generator sinkron ...20
Gambar 3.3. Arah lilitan kawat ...20
Gambar 3.4. Magnet Nd-35 ...21
Gambar 3.5. (a) Bentuk generator sinkron menggunakan seng dalam (ditunjukkan dengan panah), (b) Bentuk generator sinkron dengan seng diluar ...22
Gambar 3.6. Set alat generator sinkron saat penelitian dilaboratorium teknologi mekanik Universitas Sanata Dharma ...23
Gambar 3.7. Rangkaian alat generator sinkron yang disusun secara vertikal pada mesin drilling ...23
Gambar 3.8. Rangkaian ekivalen pengukuran pada generator sinkron ...24
Gambar 3.9. Pengukuran arus listrik menggunakan clampmeter pada generator sinkron ...25
Gambar 3.10. Lampu yang digunakan dalam penelitian ...26
Gambar 3.11. Menentukan jari-jari pada generator sinkron ...26
Gambar 3.12. Menentukan panjang penampang satu lilitan pada generator sinkron ...27
Gambar 4.1. Grafik pengaruh tegangan terhadap arus dari generator sinkron ...29
Gambar 4.2. Grafik pengaruh putaran terhadap tegangan dari generator sinkron ...30
Gambar 4.3. Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari generator sinkron ...31
Gambar 4.4. Grafik pengaruh kecepatan anguler (ω) terhadap tegangan reaktansi Ex pada generator sinkron ...34
Gambar 4.5. Grafik pengaruh kecepatan anguler (ω) terhadap impedansi(Zs) dari generator sinkron ...37
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Hambatan dalam (���) dari suatu rangkaian merupakan karakteristik listrik yang menjadi penghambat suatu daya listrik yang mempengaruhi tegangan dan arus yang mengalir pada rangkaian. Apabilia frekuensi sangat rendah reaktansi kapasitif akan menjadi lebih besar daripada reaktansi induktif. Ketika frekuensi naik reaktansi induktif akan meningkat dan reaktansi kapasitif menjadi turun.
Hambatan dalam (���) dapat didefinisikan sebagai karakteristik listrik yang menjadi penghambat suatu daya listrik. Satuannya adalah ohm.
Generator sinkron merupakan mesin listrik yang mengubah energi mekanik (gerak) menjadi energi listrik [Hasibuan, 2013]. Sebagian besar energi listrik yang digunakan sekarang dihasilkan oleh generator listrik dalam bentuk arus bolak-balik (AC). Generator sederhana untuk arus bolak-balik merupakan kumparan yang berputar dalam medan magnetik [Tipler, 2001].
Generator arus bolak-balik atau disebut dengan alternator adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik (gerak) menjadi energi listrik (elektrik) dengan perantara induksi magnetik. Perubahan energi terjadi kareana adanya perubahan medan magnet B pada kumparan (tempat terbangkitnya tegangan energi pada generator) [Wildi, 1981].
Pengembangan pembangkit skala kecil yang efisien untuk sistem mini biasanya menggunakan magnet permanen yang mempunyai rapat fluks megnetik tinggi. Magnet permanen dari bahan Neodymium biasanya dipilih karena memiliki karakteristik magnet yang baik sekalipun memiliki kekurangan pada ketahanan pada temperatur tinggi dan korosi [Prasetyadi, 2012].
Generator dengan menggunakan magnet permanen sangat efisien untuk digunakan untuk keperluan kincir angin/air karena mampu bekerja baik pada kecepatan putar yang rendah. Kemudahan dalam pembuatan dan juga meningkatkan daya generator ini sangat memudahkan dalam mendesain suatu generator dengan kapasitas daya tertentu, tegangan tertentu dan juga kecepatan kerja tertentu hanya dengan mengubah-ubah parameter seperti kekutan fluks magnet, jumlah kumparan dan lilitannya, jumlah magnet serta ukuran diameter kawat [Haryotejo P, 2009]. Pada penelitian ini akan dilakukan perhitungan hambatan dalam (���) pada generator sikron yang memiliki jumlah kumparan, lilitan, magnet, dan diameter kawat yang tetap.
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut dapat dibuat rumusan masalah 1. Bagaimana membuat generator sinkron dengan rangka akrilik?
3. Bagaimana menentukan nilai hambatan dalam (���) pada generator sinkron dengan rangka akrilik?
C. Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah yang dibatasi pada
1. Kecepatan putar yang digunakan terdiri dari 133,4 rpm, 214,9 rpm, 226,6 rpm, 359 rpm, 427,2 rpm, 555,1 rpm, 718,4 rpm, dan 892,7 rpm.
2. Generator yang digunakan prisma segi sepuluh dengan sepuluh kumparan, 10 buah magnet permanen dan 1000 lilitan.
3. Kawat email yang digunakan berdiameter 0,5 mm dan 5 buah lampu. 4. Akrilik yang digunakan memiliki ketebalan 0,5 mm.
D. Tujuan Penelitian
Pada penelitian ini bertujuan untuk :
1. Membuat generator sinkron dengan rangka akrilik.
2. Menentukan besarnya nilai medan magnetik B generator sinkron dengan rangka akrilik.
3. Menentukan nilai Impedansi (��) generator sinkron dengan rangka akrilik.
4. Menentukan nilai hambatan dalam (���) generator sinkron dengan rangka akrilik. E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian adalah :
2. Mengetahui cara menentukan nilai medan magnetik B generator sinkron. 3. Mengatahui cara menentukan nilai Impedansi (��) generator sinkron.
4. Mengetahui cara menentukan nilai hambatan dalam (���) generator sinkron. F. Sistematika Penulisan
BAB I Pendahuluan
Bab I Menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB II Dasar Teori
Bab II menguraikan tentang dasar-dasar teori pendukung dalam penelitian. BAB III Eksperimen
Bab III menguraikan tentang tempat pelaksanaan penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, dan langkah-langkah penelitian.
BAB IV Hasil dan Pembahasan
Bab IV Menguraikan tentang hasil penelitian dan pembahasan hasil penelitian. BAB V Penutup
BAB II
LANDASAN TEORI
A. Impedansi
Impedansi adalah sebuah kuantitas kompleks yang memiliki dimensi ohm. Hubungan antara tegangan, arus dan impedansi dinyatakan dalam persamaan (2.1).
�=�� (2.1)
Z adalah impedansi, V adalah tegangan dan I adalah arus (Ampere) yang mengalir. Perbandingan-perbandingan ini merupakan fungsi sederhana dari harga elemen, dan juga frekuensi. Misalnya, sebuah induktor akan dinyatakan di dalam daerah waktu oleh induktansi L dan di dalam daerah frekuensi oleh impedansi jωL. Sebuah kapasitor di dalam daerah waktu adalah kapasitansi C dan impedansi 1/jωC di dalam daerah frekuensi. Dengan demikian impedansi induktor adalah
�� =�ωL (2.2)
dan impedansi kapasitor adalah
��= 1
�ωc (2.3)
dengan L adalah induktansi, C adalah kapasitansi, dan � adalah frekuensi anguler.
Misalnya, pada � = 10 4rad/s, induktor 5 mH yang diseri dengan kapasitor 100 µF dapat diganti dengan satu impedansi yang merupakan jumlah impedansi individu. Dengan mengganti Persamaan (2.2) dan (2.3) impedansi induktor tersebut adalah
Impedansi ekivalen dari kombinasi seri dari kedua elemen ini adalah
��� =��+ �� = �50 − �1 =�49Ω
Sedangkan untuk menghitung sebuah kombinasi paralel digunakan cara yang persis sama dengan cara menghitung tahanan-tahanan paralel, yaitu
��� =
(�50)(−�1) �50− �1 =
50
�49= −�1,020 Ω
dan paralel dengan aturan yang sama seperti untuk tahanan listrik [Kemmerly,2005].
B. Hukum Faraday
Hukum induksi Faraday menyatakan bahwa GGL (gaya gerak listrik) induksi � dipengaruhi oleh fluks . Ggl yang timbul antara ujung-ujung suatu loop
penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar [Tipler,2001]. Secara matematis, fluks magnetik dinyatakan oleh Persamaan (2.4).
� =− dΦ
dt (2.4)
Besarnya fluks magnetik dinyatakan dalam satuan weber (Wb) yang setara dengan (1Wb = 1T.m2). Dari definisi fluks tersebut, dapat dinyatakan bahwa fluks yang melalui loop kawat penghantar dengan N lilitan lebih dari satu dan fluks berubah sebesar ∆Φ� dalam waktu ∆�, besarnya GGL induksi dinyatakan dalam Persamaan (2.5).
�= −� ΔΦΔ�� (2.5)
menghasilkan ggl dan arus induksi tersebut [Tipler, 2001]. Apabila perubahan fluks
Dengan � adalah ggl induksi (volt), N adalah banyaknya lilitan, �� adalah perubahan fluks magnetik (wb), dan � adalah selang waktu (s).
Karena fluks adalah fungsi luas dan rapat medan atau �.�= Φ maka dapat
Δ� (perubahan magnetik) sehingga
� = −�.�Δ�
Δ� (2.9)
(�)), t adalah waktu dan N adalah jumlah lilitan total. Sehingga dapat dinyatakan di dalam Persamaan (2.10) sebagai
�= �Δ�Δ�.�
�= ���
Δ� (2.10)
Pada persamaan (2.10) diketahui bahwa, Δ�
Δ� =� . Persamaan kecepatan
linear adalah �=�.� sehingga Persamaan (2.10) dapat ditulis menjadi
�= ���� (2.11)
Dengan � adalah ggl induksi (volt), B adalah rapat medan magnetik, � adalah lebar (dalam generator knockdown �= panjang penampang lilitan (1 x 2 x jumlah lilitan total (N)), � adalah kecepatan anguler dan r adalah jari-jari.
Ggl induksi memiliki satuan volt sehingga � =�. Dengan demikian Persamaan (2.11) dapat dinyatakan sebagai
�= ����
�= �� (2.12)
Dari Gambar 2.1 diketahui � =��� sehingga persamaan (2.12) dapat ditulis menjadi
�
� = � (2.13)
Dengan �
� adalah gradien dari grafik hubungan kecepatan anguler terhadap
tegangan.
Dari Persamaan (2.13) dapat ditentukan nilai rapat medan magnetik dengan persamaan sebagai berikut.
�=�������
�� (2.14)
C. Generator Sinkron
Generator arus bolak-balik (AC) atau disebut dengan altenator adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik
ω
(elektrik) dengan perantara induksi magnetik. Perubahan energi ini terjadi karena adanya perubahan medan magnet B pada kumparan (tempat terbangkitnya tegangan pada generator).
Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada lilitan. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.
Frekuensi dalam hertz adalah sama seperti laju rotor dalam putaran perdetik, yakni, frekuensi listrik tersebut disinkronisasikan dengan laju mekanis. Inilah alasan mengapa mesin ini sering dinamakan mesin sinkron. Misalnya sebuah mesin sinkron berkutub dua harus berputar pada 3600r/min untuk menghasilkan sebuah tegangan dengan frekuensi 60 Hz.
Satu pasangan kutub dalam sebuah mesin berkutub p atau siklus distribusi fluks menyamai 3600 listrik atau 2� radian listrik. Karena ada p/2 panjang gelombang lengkap atau siklus satu putaran lengkap, maka diperoleh
�= �
2�� (2.15)
Dengan � adalah sudut dalam satuan listrik dan �� adalah sudut mekanis. Maka frekuensi gelombang tegangan adalah
� =� 2
�
60 � (2.16)
Dengan laju mekanis dalam putaran per menit dan n/60 adalah laju dalam putaran per detik. Frekuensi radian � dari gelombang tegangan adalah
�= �
2�� (2.17)
Dengan �� adalah laju mekanis dalam radian per detik [Fitzgerald, 1985].
D. Konstruksi Generator Sinkron
1. Stator
Stator merupakan bagian yang diam dan merupakan gulungan kawat penghantar yang disusun sedemikian rupa dan di tempatkan pada alur-alur akrilik. Pada penghantar tersebut adalah tempat terbentuknya ggl induksi yang diakibatkan dari medan magnet putar dari rotor.
2. Rotor
Rotor merupakan bagian yang bergerak. Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet sehingga menghasilkan tegangan kemudian akan diinduksikan ke stator. Rotor pada generator juga berfungsi sebagai tempat magnet yang disusun pada alur-alur akrilik.
3. Jumlah Kutub
Jumlah kutub pada generator sinkron mempengaruhi kecepatan rotasi dan frekuensi. Pada generator sinkron mempengaruhi besarnya frekuensi kerja putaran rotor. Semakin banyak kutub maka semakin kecil putaran yang diperlukan oleh rotor untuk menghasilkan tegangan tertentu. Bahwa hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik dinyatakan sebagai
�= ��
120 � (2.18)
Misalnya, generator berputar pada kecepatan putar 200 rpm dan menghasilkan listrik dengan frekuensi 60 Hz, maka jumlah kutub dapat
ditentukan sebagai berikut : �= 120�� = 120 � 60
200 = 36 kutub, atau 18 pasang kutub utara dan selatan.
E. Reaktansi Sinkron Magnet Permanen setara Generator AC
Sebuah generator dengan kutub yang berupa magnet permanen berperilaku seperti halnya generator sinkron. Pada generator sinkron, setiap fase belitan stator memiliki resistansi R dan induktansi tertentu L. Karena ini mesin arus bolak-balik, induktansi memanifestasikan sebagai reaktansi sinkron ��, diberikan oleh
�� = 2��� (2.19)
dengan �� adalah reaktansi sinkron, per fase (Ω), f adalah frekuensi generator (Hz) dan L adalah induktansi jelas dari belitan stator, per fase (H).
Reaktansi sinkron generator adalah impedansi internal seperti ��. Jika kita mengabaikan hambatan dari gulungan, kita memperoleh sirkuit yang sangat sederhana yang ditunjukkan oleh Gambar 2.2. Dengan demikian, sebuah generator sinkron dapat diwakili oleh rangkaian setara terdiri dari E₀ tegangan induksi dalam
F. Generator Sinkron tanpa Beban
Rangkaian generator sinkron yang tidak diberi beban dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.2 Rangkaian generator sinkron dengan beban
Beban
Gambar 2.3 Rangkaian generator sinkron tanpa beban
G. Generator Sinkron dengan Beban
Rangkaian generator sinkron yang diberi beban �� dengan ɸ fluks yang menginduksi tegangan internal E₀ dari sumber tegangan terminal keluaran �� pada generator. E₀ terinduksi seri dengan tegangan reaktansi �� dan impedansi sinkron ��. Bahwa I adalah arus yang melewati beban ��.
sehingga didapatkan persamaan
�0 =��+�� (2.20)
Dari Persamaan 2.20 diketahui bahwa �� = ��� dan �� = ��� sehingga persamaan menjadi
�0 =� (��+��) (2.21)
Gambar 2.4 Rangkaian generator sinkron dengan beban
karenanya,
�0− ��� =��� (2.22)
�� =�0− �� (2.23)
Untuk menentukan impedansi sinkron �� dari Gambar 2.4, dapat menggunakan persamaan.
�� =��� (2.24)
�� =��� (2.25)
dengan,
�=���
� (2.26)
Impedansi sinkron �� (Ω) digunakan untuk mencari besarnya hambatan dalam ��� (Ω). Besarnya hambatan dalam ��� (Ω) dapat dicari menggunakan Persamaan
(2.27).
�� =��� +���
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Pelaksanaan
Penelitian dilaksanakan pada April – Mei 2015 di Lab Teknologi Mekanik Kampus III Paingan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
B. Desain Penelitian
Penelitian ini adalah penelitian eksperimen untuk mengukur hambatan dalam (���) pada generator menggunakan rangka akrilik.
1. Desain Ukuran Rangka
Generator sinkron didesain meggunakan aplikasi CorelDraw X6. Jumlah dan ukuran magnet sebagai tolak ukur awal perancangan generator sinkron. Penggunaan CorelDraw X6 dikarenakan aplikasi ini sesuai dengan aplikasi pada rumah pemotongan akrilik. Desain rangka generator sinkron dinyatakan pada Gambar 3.1. adapun rancangan generator sinkron adalah
a. Pada Gambar 3.1 nomor 1 adalah rangka stator tempat lilitan kawat email dengan diameter total 11,10 cm, untuk jarak antara tiang-tiangnya 2,00 cm, tinggi tiang 2 cm, tebal 0,5 cm dan lubang bagian tengah berdiameter 0,6 cm. rangka ini berjumlah satu pasang.
b. Pada gambar 3.1 nomor 2 adalah rangka stator bagian yang berfungsi sebagi tempat laker/bearing. Rangka ini memiliki diameter 5,18 cm, tebal 0,5 cm,
lubang pada bagian tengah memiliki diameter 1,80 cm dan rangka ini berjumlah satu pasang.
c. Pada Gambar 3.1 nomor 3 adalah rangka rotor tempat magnet menempel dengan diameter 5 cm dan tebal 0,6 cm yang terdiri dari 3 rangka sehingga tebalnya menjadi 1,5. Sedangkan lubang dibagian tengahnya berdiameter 0,6 cm yang berfungsi sebagi tempat masuknya as (axle).
d. Pada Gambar 3.1 nomor 4 adalah rangka stator berfungsi untuk penghubung rangka no 1 memiliki panjang 3 cm, tebal 0,5 cm, tinggi 2 cm, jarak antara tiang 2 cm dan berjumlah sepuluh buah rangka.
Rangkaian desain pada aplikasi CorelDraw X6 yang dipakai saat penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Desain rangka generator sinkron pada CorelDraw X6.
gambar rangka generator yang sudah terangkai yang digunakan pada saat penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.2.
2. Menggunakan Seng Galvanis a. Seng Luar
Seng dipasang pada jalur lilitan pada rangka nomor 4, dengan mengikuti bentuk rangka, fungsinya sebagai penguat arus listrik.
b. Seng Dalam
Seng yang digunakan sebagai pelapis rangka nomor 3, setelah dilapisi dengan seng baru dipasang magnet diatasnya. Seng yang digunakan memiliki ketebalan 0,4 mm. Seng memiliki permeabilitas � yang tinggi karena bahan
Gambar 3.2. Rangka generator sinkron
tersebut dilapisi oleh baja yang termasuk benda-benda ferromagnetik sehingga arus yang dihasilkan bertambah besar.
3. Jenis Ukuran dan Jumlah Magnet yang Digunakan
Jenis magnet yang digunakan pada generator sinkron ini adalah magnet ND-35 yang berbentuk koin dengan diameter 15 mm dan tebal 3 mm. Magnet yang digunakan berjumlah 10 buah. Magnet ND-35 digunakan dalam perancangan generator sinkron karena magnet ND-35 bersifat permanen dan kuat.
Magnet Nd-35 memiliki beberapa unsur yaitu Br dan Hcb. Br sebesar 12,1 KGs/1,21 Tesla dan Hcb adalah resistansi bahan untuk mengalami kerusakan magnetik sebesar 11,4 KOe/ 0,1432 KA/m [Magcraft, 2007].
4. Lilitan Kawat Email
Dalam melilit kawat email pada generator sinkron harus diperhatikan arah lilitan kawat email. Dalam melakukan lilitan pilih arah awal lilitan bisa searah putaran jarum jam atau sebaliknya, lakukan lilitan searah putaran jarum jam sampai jumlah
tertentu lalu sisi berikutnya berlawanan dengan arah putaran jarum jam sampai jumlah lilitan sama dengan jumlah lilitan pertama.
Jumlah kumparan generator sinkron terdiri dari 10 sisi dengan jumlah total lilitan sebanyak 1000 lilitan. Gambar penampang generator ditunjukkan pada Gambar 3.5.
Foto set alat dan rangkaian alat yang dipakai saat penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.6 dan 3.7.
a b
Gambar 3.5.(a) Bentuk generator sinkron menggunakan seng dalam (ditunjukkan dengan panah), (b) Bentuk generator sinkron dengan seng diluar
Keterangan alat: a. Mesin drilling b. Generator sinkron c. Kabel penghubung
d. Set rangkaian generator sinkron dengan beban e. Alat ukur
C. Parameter yang Diukur
Parameter yang diukur dalam eksperimen ini adalah 1. Tegangan Terminal Keluaran (��)
Pengukuran tegangan terminal keluaran yang dihasilkan oleh generator sinkron menggunakan multimeter. Pengukuran tegangan dilakukan dengan memvariasikan beban dan kecepatan anguler. Cara pengukuran ditunjukan dalam Gambar 3.8. �� adalah tempat mengukur tegangan terminal keluaran.
c
e d
b
MD
Gambar 3.7. Rangkaian alat generator sinkron yang disusun secara vertikal pada mesin drilling.
2. Kecepatan Anguler (�)
Kecepatan anguler (putaran) dari perancangan generator sinkron dapat diukur dengan tachometer. Hasil dari tachometer dirata-rata, dan hasil rata-rata dari tachometer digunakan dalam perhitungan. Secara umum persamaan yang dapat digunakan untuk memperoleh hasil pengukuran kecepatan anguler adalah � = 2��. Dimana 2� adalah satu putaran penuh sudut yang ditempuh 3600, dan f adalah frekuensi.
Hasil pengukuran tachometer adalah putaran per menit (��) sehingga persamaan yang dapat digunakan untuk memperoleh kecepatan anguler dari hasil
pengukuran adalah � = 2��= 2�1 rotasi atau putaran permenit.
Gambar 3.8. Rangkaian ekivalen pengukuran pada generator sinkron
Beban
3. Arus (I)
Arus listrik yang mengalir pada rangkaian diukur menggunakan clampmeter. Cara menempatkan clampmeter pada rangkaian dapat dilihat pada Gambar 3.8. Pengukuran arus I pada rangkaian dilakukan setiap melakukan variasi putaran atau beban. Pengukuran menggunakan clampmeter pada Gambar 3.9.
4. Beban (��)
Beban divariasi pada setiap kecepatan anguler. Beban dibuat dari lampu dengan watt yang berbeda-beda. Beban yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.10.
Gambar3.9 Pengukuran arus listrik menggunakan clampmeter pada generator sinkron.
5. Menentukan Jari-Jari (R) dan Panjang (L) pada Generator Sinkron
Untuk menentukan jari-jari pada generator sinkron, dilakukan pengukuran dari pusat sampai tengah kumparan dan menentukan panjang penampang satu lilitan, dapat dilihat pada Gambar 3.12 pengukuran mewakili kesembilan sisi lainnya, hasil pengukuran dikali dua karena ada dua penampang dalam satu kumparan. Seperti pada Gambar 3.11 dan 3.12.
Gambar 3.11. Menentukan jari-jari pada generator sinkron.
6. Menentukan Impedansi (��) pada Generator Sinkron
Untuk menentukan impedansi (��) dengan menggunakan lampu yang dihubungkan dengan generator sinkron, tiap lampu memiliki saklar sehingga dapat diatur jumlah lampu yang digunakan. Generator sinkron diputar menggunakan mesin drilling. Kecepatan putaran rotor diatur pada mesin drilling dengan delapan kali variasi kecepatan. 125 rpm, 205 rpm, 250 rpm, 345 rpm, 410 rpm, 530, 690 rpm, dan 860 rpm. Pengukuran tegangan pada saat rotor berputar konstan menggunakan multimeter dan pengukuran arus yang mengalir menggunakan clampmeter (AC).
7. Menentukan Hambatan Dalam (���) pada Generator Sinkron
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian dilaksanakan pada April - Mei 2015 di Laboratorium Teknologi Mekanik III Paingan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penelitian dilakukan dengan melakukan pengukuran arus, tegangan dan kecepatan putar pada generator knockdown, mula-mula generator knockdown tanpa seng dan menggunakan seng. kedua jenis pengujian diukur dengan cara yang sama. Multimeter yang digunakan dalam pengukuran ini adalah multimeter digital A-830 dengan batas ukur 200 V~ bertujuan mengukur tegangan yang dihasilkan oleh generator knockdown. Clamp meter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan generator dengan batas ukur 20 A. Kecepatan putar rotor pada generator yang dipakai dalam penelitian ini terdiri dari berbagai rpm yaitu 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860 diatur pada selektor mesin drilling.
A. Hasil Pengukuran Arus dan Tegangan pada Generator Sinkron
Data hasil pengukuran pada generator sinkron menggunakan seng pada tabel Lampiran I. Data dari tabel dianalisa dalam bentuk grafik pengaruh tegangan terhadap arus listrik yang ditampilkan pada Gambar 4.1 grafik pengaruh tegangan terhadap arus dari generator sinkron.
Gambar 4.1 Menunjukkan bahwa arus tidak semua terukur saat rangkaian terhubung dengan lampu. Arus bernilai nol bila rangkaian generator sinkron tidak dihubungkan dengan lampu. Bila terhubung dengan lampu nilai arus dan tegangan berbanding lurus. Semakin banyak jumlah lampu semakin besar pula arus yang dihasilkan. Bila rangkaian generator dihubungkan dengan lampu, arus akan terlihat pada tegangan tertentu tergantung jumlah lampu dan kecepatan putar yang diberikan. Nilai gradien pada Gambar 4.1 ditunjukkan pada Tabel 4.1.
Jumlah lampu Gradien Ω)
Gambar 4.1. Grafik pengaruh tegangan terhadap arus dari generator sinkron
Tabel 4.1 menunjukkan bahwa semakin banyak lampu yang digunakan, maka semakin besar tahanan yang dihasilkan. Untuk menentukan tahanan total dapat dilihat pada Lampiran II.
B. Hasil Pengukuran Putaran Rotor n (rpm) dan Tegangan pada Generator Sinkron
Penelitian dilakukan pada generator sinkron. Data yang diperoleh untuk putaran rotor n (rpm). Data yang diperoleh dilampirkan pada Lampiran I. Data dari lampiran I dianalisa dalam bentuk grafik pengaruh putaran terhadap tegangan pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Menunjukkan bahwa semakin besar putaran rotor n (rpm) tegangan yang dihasilkan akan semakin besar. Pada setiap pertambahan lampu tegangan semakin kecil pada setiap putaran rotor n (rpm).
C. Hasil Pengukuran Tegangan (V) dan Perhitungan Kecepatan Angular (�) pada Generator Sinkron
Data yang diperoleh untuk tegangan (V) pada generator sinkron dan kecepatan anguler (�) dari perhitungan dan (��) puataran per menit. Untuk data kecepatan anguler (�) menggunakan persamaan �= 2��= 2��1 = 2� ��
60 �=�
��
30 � data yang diperoleh dilampirkan pada Lampiran II. Data dari tabel (Lampiran II) dianalisa dalam bentuk grafik pengaruh putaran terhadap tegangan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Menunjukkan bahwa semakin besar kecepatan anguler (�) tegangan (v) yang dihasilkan semakin besar. Sebaliknya semakin banyak lampu yang digunakan semakin kecil tegangan dengan kecepatan anguler yang sama. Gradien dari grafik
Gambar 4.3 yaitu grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari generator sinkron digunakan untuk menunjukkan rapat medan magnetik (B). Data perhitungan rapat medan magnetik ditunjukan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 menunjukkan bahwa semakin banyak lampu yang digunakan, semakin kecil rapat medan magnetik (B) efektif yang dihasilkan. Rapat medan magnetik (B) efektif berpengaruh terhadap banyaknya lampu yang dihubungkan dapat dilihat dari Tabel 4.2. Pengukuran untuk menentukan nilai rapat medan magnetik (B) efektif dapat dilihat pada Lampiran III.
D. Nilai Tegangan Reaktansi ��
Nilai tegangan reaktansi berdasarkan persamaan (2.23) untuk putaran 359,68-892,74 rpm disajikan pada Tabel 4.3.
NO Lampu Gradien (vs) B (T)
No n (rpm) �0(����) Jumlah
Tabel 4.3 dibuat dalam bentuk grafik. Gambar 4.4 menunjukan pengaruh kecepatan anguler (�) terhadap tegangan reaktansi �� pada generator sinkron.
E. Nilai Arus I (A)
Pada saat pengukuran arus, alat yang digunakan adalah clampmeter. Arus yang dapat terbaca oleh alat minimal 0.01 A sehingga untuk menentukan nilai arus yang lebih kecil menggunakan persamaan (2.25) hasil perhitungan dan hasil pengukuran disajikan pada Tabel 4.4.
Gambar 4.4. Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan reaktansi
No n (rpm) Jumlah
Dari Tabel 4.4 nilai arus yang digunakan untuk menentukan nilai impedansi �� adalah nilai arus perhitungan karena nilainya lebih detail. Perhitungan dapat dilihat di Lampiran V.
F. Impedansi �� Generator Sinkron
Impedansi (��) pada generator sinkron disajikan pada Tabel 4.5.
No n (rpm) Jumlah
Untuk menentukan impedansi (��) dari generator sinkron pada Tabel 4.5 dibuat mengikuti persamaan (2.26). Impedansi (��) didapatkan melalui perhitungan yang dapat dilihat pada lampiran VI.
Dari hasil perhitungan impedansi (��), nilai impedansi (��) akan digunakan untuk mencari nilai hambatan dalam (���). Yang dibuat dalam bentuk grafik. Gambar 4.5 adalah grafik pengaruh kecepatan anguler (�) terhadap impedansi (��) dari generator sinkron.
Dari Gambar 4.5 grafik pengaruh kecepatan anguler (�) terhadap impedansi (��) dari generator sinkron, didapatkan nilai hambatan dalam (���) sebesar 6,10 Ω.
Gambar 4.5.Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap impedansi
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:
1. Generator sinkron berbahan akrilik yang didesain menggunakan aplikasi CorelDraw X6 telah berhasil dibuat dengan bentuk prisma segi sepuluh dengan sepuluh kumparan, 1000 lilitan dan sepuluh buah magnet permanen.
2. Dalam proses pengukuran rapat medan magnet B asli pada generator sinkron tanpa lampu sebesar (0,031 T).
3. Dalam proses pengukuran impedansi pada generator sinkron nilai impedansi dari
generator sinkron pada kecepatan 359,68 rpm (3,73 ), kecepatan 427,22 rpm (2,75
), kecepatan 555,1 rpm (2,01 ), kecepatan 718,48 rpm (1,61 ), kecepatan
892,72 (1,39 ). Dalam proses perubahan putaran nilai impedansi mengalami
penurunan setiap penambahan kecepatan putar.
4. Hambatan dalam (���) pada generator sinkron didapatkan sebesar 6,10 Ω.
B. Saran
DAFTAR PUSTAKA
Fitzgerald, A.E., dkk. 1985. Dasar-dasar Elektroteknik (edisi 5 jilid 2). Jakarta: Erlangga. Hariyotejo, P., dkk. 2009. Pengembang Generator Mini dengan menggunakan Magnet
Permanen. Universitas Indonesia: Teknik Mesin Pasca Sarjan.
Hasibuan, Hanri.A.M dan Hasibuan, A.R. 2013. “Analisa Perbandingan Metode Impedansi sinkron, Amper Lilit Dan Segitiga Potier Dalam Menentukan Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Pembebanan Resitif, Induktif Dan Kapasitif’’, DTE FT USU, VOL.1NO.3/Maret2013.
Kemmerly, J.E., dkk. 2005. Rangkaian Listrik (edisi ke 6 jilid 1). Jakarta: Erlangga.
Magcraft. 2007. Permanen Magnet Selection And Handbook: Advanced Magnetic Material. U.S.A: National Imports LLC.
Prasetyadi, A. 2012. Gnerator Axial Magnet Permanen ND-35. Universitas Nusa Cendana: SAINTEK.
Tippler, Paul A. 2001. Fisika Untuk Sains Dan Teknik (edisi 3 jilid 2). Jakarta: Erlangga. Wildi, Theodore. 1981. Electrical Machines, Driver and Power System (sixth edition).
LAMPIRAN I. Hasil Pengukuran Generator Sinkron
II. Perhitungan Nilai Tahanan dan Kecepatan Anguler III.Perhitungan Rapat Medan Magnetik Efektif
IV.Perhitungan Tegangan Reaktansi
Lampiran I Hasil Pengukuran Generator Sinkron
Pengambilan data : 27 april 2015 Waktu: 08:00 – 15
Keterangan : Menggunakan seng
No (rpm) V
(Volt) �
I (Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
1 133,4 125 0.5 14 0
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
No (rpm) V
(Volt) �
I (Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
1 133,4 125 0.1 14 0 2
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
1 133,4 125 0 14 0 3
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
No (rpm) V
(Volt) �
I (Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
1 133,4 125 0 14 0 5
2 214,9 205 0 22,5 0 5
3 226,6 250 0.1 28 0.1 5
4 359,6 345 0.2 37,6 0.3 5
5 427,2 410 0.3 44,7 0.7 5
6 555,1 530 0.5 558,1 1.2 5
7 718,4 690 0.8 75,2 1.7 5
Lampiran II
Perhitungan Nilai Tahanan Total dan Kecepatan Anguler Menentukan nilai tahanan total (��):
�1 = 1
Menentukan nilai kecepatan anguler (�):
Lampiran III
Perhitungan Rapat Medan Magnetik B Efektif
Lampiran IV
Contoh perhitungan tegangan reaktansi �� pada kecepatan 345 rpm: ��1 =�0− �� = 1.7 −1.1 = 0.6
Lampiran V Menetukan Nilai Arus I Melalui Perhitungan: No n (rpm) Jumlah
�1 = ��
�� =
1.1
Lampiran VI Menentukan Nilai Impedansi Sinkron ��
No n (rpm) Jumlah
Contoh perhitungan pada kecepatan 345 rpm:
��1 = ��
� = 0.6
