SKRIPSI PENGARUH BENTUK DAN POSISI AIR GAP ROTOR TERHADAP KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS AKSIAL TIGA FASA

(1)

SKRIPSI

PENGARUH BENTUK DAN POSISI AIR GAP ROTOR TERHADAP KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET

PERMANEN FLUKS AKSIAL TIGA FASA

Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan

Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh :

BUNGNA MEI .R SINAMBELA NIM :150402089

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2021

(2)

Pry{GAR$fi S&NTITKBAH p(}$$ _Are,6,4p _R$TOR

TERHADAP

KARAKTERISTIK

GENERATOR

MAGHET

PrcMMANEH

FLUKS

AT{STAL

TIGAFASA

ohh

L{INGNA MEI ^.RSINAMBELA

Skripsi ini drajutccr untrk melamgkapi satalr sanr syarat Unruk me$rpmqlch gekr $arlera

f*Ee @

DEPAITEETflEI{

fEI{f'[[K

EI.EKIRO

E'AKT}LTAS TEKNII(

I,h{IVERSI?AS SI'MATERA UTARA

MEDAT\T

Sidaagpada tstggal I0 bulsn Febrruari tEhun 2t2t di dryan Pengqii ^: 1.

2. [n ^Xr,Snry* Zulh*rp*ea H*rdi,It&$.r ^pae€Ll[&T",IPsfi.

pLIL,

I

Lngot

tr(dm PeegpJi ^gnli^:

Elekro FT U$-U,

(3)

PERIYYATAADI

KEASLIAN SKRIPSI

Saya yang bertanda rangan di bawah ini :

Nama : BunguaMei.R Sinambela

Nim

: ^150402089

Dengan ini menyatakan bahwa sejauh yang saya ketahui Skripsi saya yang berjudr:l:

..PENGARUII _BENTT]KDAN POSIfl AIR GAP ROTOR TERIIADAP

KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET PERMAFIEN FLUKS AKSIAL TIGA FASA"

Bukan merupakan tiruan atau salinan atau duplikasi dari Skripsi yang sudah

dipublikasikan dan atau pemah dipakai untuk mendapatkan Gelar Kesarjanaan di

lingkungan Universitas Sumatera Utara maupun di Perguruan Tinggr atau Institusi

lain, kecuali pada bagian-bagi.an dimana sumber informasinya dicantumkaq

sebagaimana mestinya.

Apabila terbrrkti secara hukum terdapat penjiplakan/plagiat atau penduplikatan,

maka saya bersedia menerima sanksi akariemis sesuai dengan peraturan yang

berlaku.

Medan, l0 Februari 2021

Bungna Mei .R Sinambela

NIM : ^150-102089

(4)

ABSTRAK

Generator Fluks Aksial Magnet Permanen adalah salah satu jenis generator yang dimana arah aliran fluksnya yang memotong kumparan stator secara aksial.

Generator ini tidak jauh berbeda dengan generator pada umumnya yang memiliki stator dan rotor. Dalam penelitian ini menganalisis pengaruh ukuran dan bentuk magnet permanen terhadap tegangan yang terinduksi pada stator serta jarak air gap terhadap performa generator. Generator yang diuji dalam penelitian ini adalah generator tiga fasa dengan dua stator dan tiga rotor, pengujian ini menggunakan empat magnet dengan bentuk dan ukuran berbeda. Dari hasil pengujian ini diperoleh besar ukuran dan bentuk magnet permanen mempengaruhi tegangan terinduksi. semakin besar luasan medan magnet terhadap luas kumparan semakin besar tegangan yang dihasilkan, dimana magnet permanen bentuk piring (disc type) menghasilkan tegangan lebih besar dimana hasil pengujian kecepatan tanpa beban menunjukkan magnet ukuran 30x2 mm dengan jarak air gap 2 mm, 3 mm dan 4 mm pada 700 rpm menghasilkan 13,62 volt, 12,12 volt, dan 10,64 volt menghasilkan tegangan terinduksi paling besar diantara keempat magnet dengan persentase 71,91%, 80,00% dan 84,24%, sedangkan dari sisi persentase antara tegangan uji terhadap tegangan teori dengan pengujian magnet petak (rectangular type) yaitu pada ukuran (30x10x2) mm dengan jarak air gap 2 mm, 3 mm dan 4 mm pada 700 rpm persentase tegangan uji terhadap tegangan teori terbesar yaitu 80,22%, 93,31% dan 98,51% dengan tegangn terinduksi 6,45 volt, 6,00 volt dan 5,28 volt.

Kata kunci : Generator FAMP, Rotor, Air Gap, Magnet Permanen.

(5)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan kemampuan dan kesehatan dalam menyelesaikan Skripsi ini.

Skripsi ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan Pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Falkutas Teknik, Universitas Sumatra Utara. Adapun judul Skripsi ini adalah:

“PENGARUH BENTUK DAN POSISI AIR GAP ROTOR TERHADAP KARAKTERISTIK GENERATOR MAGNET PERMANEN FLUKS

AKSIAL TIGA FASA”

Dalam menyelesaikan skripsi ini, Penulis menyampaikan terima kasih kepada Orangtua saya Ayah Natang Sinambela, Ibu Wasty Sibagariang yang telah melahirkan saya yang telah damai di Sorga bersama Tuhan Yang Maha Esa dan Ibu Murni Pasaribu yang telah membesarkan, memberi pengorbanan, didikan dan kasih sayang kepada Penulis. Saya juga menyampaikan kepada abang-kakak saya Hatopan Sinambela dan Ervina Sihombing yang menjaga dan membimbing saya selama menempuh pendidikan di Medan, dan Adik saya Borhat Sinambela, Melati Elshinta Sinambela dan Mulia Sinambela yang selalu memberi semangat kepada Penulis. Dalam penulisan skripsi ini, Penulis banyak menerima bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Dr. Ir. Fahmi, S.T., M.Sc., IPM., ASEAN Eng., Ketua Jurusan Teknik Elektro FT USU;

(6)

2. Bapak Ir. Arman Sani, M.T., selaku dosen pembimbing penulis yang telah memberi banyak masukan, bimbingan, dan meluangkan banyak waktu sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik;

3. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane, M.T., IPM dan Bapak Ir. Surya Hardi, MS., Ph.D., selaku dosen penguji penulis yang telah banyak mengoreksi dan memberikan masukan sehingga skrispi ini dapat diselesaikan dengan baik;

4. Sahabat Penulis: Jeremia Sihombing, Daud Simalango, Remon Pasaribu, Daniel Hutagalung, Anne Larosa dan yang tidak dapat disebutkan satu- persatu yang memberi masukan dan diskusi dalam menyelesaikan skripsi ini;

5. Teman-teman Mahasiswa Departemen Teknik Elektro FT-USU yang senantiasa memberikan motivasi;

6. Seluruh Staf Pengajar Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan ilmu kepada penulis;

7. Seluruh Staf Pegawai Departemen Teknik Elektro dan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara;

8. Semua pihak yang telah mendukung dalam menyelesaikan skripsi ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu;

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan menyempurnakan kajian skripsi ini. Akhir kata, penulis mengucapkan terimakasih dan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.

(7)

Medan, Februari 2021 Penulis,

Bungna Mei .R Sinambela NIM : 150402089

(8)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... xvii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Rumusan Masalah ... 3

1.3. Tujuan Penelitian ... 3

1.4. Batasan Masalah ... 4

1.5. manfaat Penelitian ... 4

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1. Generator ... 5

2.2. Generator Magnet Permanen Fluks Aksial ... 6

2.3. Rotor MPFA ... 6

2.4. Stator MPFA ... 7

2.5. Air Gap ... 9

2.6. Prinsip Kerja Generator MPFA ... 9

2.7. Tipe Generator MPFA ... 10

2.7.1. Generator berdasarkan Tingkatan ... 11

2.7.2. Generator berdasarkan Rotor ... 12

2.7.3. Generator berdasarkan Stator ... 15

(9)

2.8. Magnet Permanen ... 16

2.9. Prinsip Induksi Elektromagnetik... 18

2.10. Rangkaian Tiga Fasa ... 20

2.11. Karakteristik Generator ... 23

BAB III METODE PENELITIAN ... 26

3.1. Tempat dan Waktu ... 26

3.2. Perancangan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial ... 26

3.3. Prosedur Penelitian ... 33

3.4. Diagram Alur Penelitian ... 38

3.5. Prosedur Pengujian ... 39

3.5.1. Pengujian Kecepatan pada Generator Kondisi tanpa Beban ... 39

3.5.2. Pengujian Kecepatan pada Generator Kondisi Berbeban ... 39

3.5.3. Pengujian Karakteristik Generator Berbeban ... 40

BAB III HASIL DAN PEMBAHASAN ... 42

4.1. Hasil Generator dengan Magnet Rotor (20x2) mm ... 42

4.1.1. Pengujian dengan Magnet Rotor (20x2) mm Air gap 2 mm ... 42

4.1.4. Analisis Perhitungan Generator dengan Magnet Rotor (20x2) mm ... 62

4.2. Hasil Generator dengan Magnet Rotor (20x10x2) mm ... 64

4.2.1. Pengujian dengan Magnet Rotor (20x10x2) mm Air gap 2 mm ... 64

4.2.4. Analisis Perhitungan Generator dengan Magnet Rotor (20x10x2) mm .. 84

(10)

4.3. Hasil Generator dengan Magnet Rotor (30x2) mm ... 86

4.3.4. Analisis Perhitungan Generator dengan Magnet Rotor (30x2) mm ... 106

4.4. Hasil Generator dengan Magnet Rotor (30x10x2) mm ... 109

4.4.4. Analisis Perhitungan Generator dengan Magnet Rotor (30x10x2) mm.129 4.5. Analisis Perbandingan FAMP dengan Variasi Magnet Rotor ... 131

4.5.1. Hasil Perbandingan Variasi Magnet Rotor tanpa Beban ... 131

4.5.2. Hasil Perbandingan Variasi Magnet Rotor Berbeban Lampu Pijar ... 132

4.5.3. Hasil Perbandingan Variasi Magnet Rotor Berbeban Lampu LED ... 134

4.5.4. Hasil Perbandingan Variasi Magnet Rotor Berbeban (Lampu Pijar+LED) ... 136

BAB V PENUTUP ... 138

5.1. Kesimpulan ... 138

5.2. Saran ... 138

DAFTAR PUSTAKA ... 140

LAMPIRAN ... 142

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi rotor magnet permanen ... 7

Gambar 2.2 Konstruksi kumparan pada stator ... 8

Gambar 2.3 Celah udara (Air gap) ... 9

Gambar 2.4 Kontruksi umum generator magnet permanen fluks aksial ... 10

Gambar 2.5 Bentuk generator satu tingkat ... 11

Gambar 2.6 Bentuk generator dua tingkat ... 11

Gambar 2.7 Bentuk generator multi stage ... 12

Gambar 2.8 Arah fluks pada tipe N-N (S-S) ... 13

Gambar 2.9 Arah fluks pada tipe N-S (S-N) ... 13

Gambar 2.10 Magnet di permukaan rotor ... 14

Gambar 2.11 Magnet ditanam pada rotor ... 14

Gambar 2.12 Kumparan stator ditumpukan/ditimpah ... 16

Gambar 2.13 Kumparan stator tidak menumpuk ... 16

Gambar 2.14 Garis - garis gaya magnet ... 17

Gambar 2.15 Magnet neodymium ... 17

Gambar 2.16 Pergerakan fluks pada generator tipe aksial ... 19

Gambar 2.17 Gelombang tiga fasa ... 20

Gambar 2.18 Hubungan bintang/star ... 21

Gambar 2.19 Hubungan segitiga/delta ... 22

Gambar 3.1 Desain ukuran rotor dengan magnet permanen (20x2) mm ... 28

Gambar 3.2 Desain ukuran rotor dengan magnet permanen (20x10x2)mm . 28 Gambar 3.3 Desain ukuran rotor dengan magnet permanen (30x2) mm ... 28

(12)

Gambar 3.4 Desain ukuran rotor dengan magnet permanen (30x10x2)mm . 23

Gambar 3.5 Rancangan generator MPFA 3 fasa ... 31

Gambar 3.6 Rangkaian paralel stator generator MPFA ... 33

Gambar 3.7 Stator generator MPFA ... 34

Gambar 3.8 Motor DC sebagai prime mover ... 35

Gambar 3.9 Clamp multimeter UNI-T UT201 ... 35

Gambar 3.10 Lampu pijar 12 Volt ... 35

Gambar 3.11 Lampu led 12 Volt ... 35

Gambar 3.12 Papan rangkaian pembebanan ... 36

Gambar 3.13 Tahanan geser ... 36

Gambar 3.14 Multimeter digital ZOTEK type ZT102 ... 36

Gambar 3.15 Rangkaian percobaan ... 37

Gambar 3.16 Rangkaian pembebanan ... 37

Gambar 3.17 Alur penelitian ... 38

Gambar 4.1 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (20x2) mm air gap 2 mm ... 44

Gambar 4.2 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (20x2) mm air gap 2 mm. ... 45

Gambar 4.3 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (20x2) mm air gap 2 mm ... 47

Gambar 4.4 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (20x2) mm air gap 2 mm. ... 48

Gambar 4.5 Pengukuran tegangan (20x2) mm air gap 2 mm.. ... 48

(13)

Gambar 4.6 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (20x2) mm air gap 3 mm ... 51 Gambar 4.7 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (20x2) mm air gap 3 mm. ... 52 Gambar 4.8 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (20x2) mm air gap 3 mm ... 54 Gambar 4.9 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (20x2) mm air gap 3 mm. ... 55 Gambar 4.10 Pengukuran tegangan (20x2) mm air gap 3 mm.. ... 55 Gambar 4.11 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (20x2) mm air gap 4 mm ... 58 Gambar 4.12 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (20x2) mm air gap 4 mm. ... 58 Gambar 4.13 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (20x2) mm air gap 4 mm ... 61 Gambar 4.14 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (20x2) mm air gap 4 mm. ... 51 Gambar 4.15 Pengukuran tegangan (20x2) mm air gap 4 mm.. ... 62 Gambar 4.16 Perbandingan tegangan terinduksi magnet (20x2) terhadap kenaikan rpm ... 63 Gambar 4.17 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 67 Gambar 4.18 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (20x10x2) mm air gap 2 mm. ... 67

(14)

Gambar 4.19 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 70 Gambar 4.20 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet Rrotor (20x10x2) mm air gap 2 mm. ... 70 Gambar 4.21 Pengukuran tegangan (20x10x2) mm air gap 3 mm.. ... 71 Gambar 4.22 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 73 Gambar 4.23 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (20x10x2) mm air gap 3 mm. ... 74 Gambar 4.24 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 76 Gambar 4.25 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (20x10x2) mm air gap 3 mm. ... 77 Gambar 4.26 Pengukuran tegangan (20x10x2) mm air gap 3 mm.. ... 77 Gambar 4.27 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 80 Gambar 4.28 Pengujian rpm pada arus Fasa-netral Magnet Rotor (20x10x2) mm air gap 4 mm. ... 80 Gambar 4.29 Pengujian rpm pada Tegangan fasa-fasa Magnet Rotor (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 83 Gambar 4.30 Pengujian rpm pada Arus fasa-fasa Magnet Rotor (20x10x2) mm air gap 4 mm. ... 83 Gambar 4.31 Pengukuran tegangan (20x10x2) mm air gap 4 mm.. ... 84

(15)

Gambar 4.32 Perbandingan tegangan terinduksi magnet (20x10x2) terhadap kenaikan rpm ... 85 Gambar 4.33 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (30x2) mm air gap 2 mm ... 89 Gambar 4.34 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (30x2) mm air gap 2 mm. ... 89 Gambar 4.35 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (30x2) mm air gap 2 mm ... 92 Gambar 4.36 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (30x2) mm air gap 2 mm. ... 92 Gambar 4.37 Pengukuran tegangan (30x2) mm air gap 2 mm.. ... 93 Gambar 4.38 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (30x2) mm air gap 3 mm ... 95 Gambar 4.39 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (30x2) mm air gap 3 mm. ... 96 Gambar 4.40 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (30x2) mm air gap 3 mm ... 98 Gambar 4.41 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (30x2) mm air gap 3 mm. ... 99 Gambar 4.42 Pengukuran tegangan (30x2) mm air gap 3 mm.. ... 99 Gambar 4.43 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (30x2) mm air gap 4 mm ... 102 Gambar 4.44 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet Rotor (30x2) mm air gap 4 mm. ... 103

(16)

Gambar 4.45 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (30x2) mm air gap 4 mm ... 105 Gambar 4.46 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (30x2) mm air gap 4 mm. ... 106 Gambar 4.47 Pengukuran tegangan (30x2) mm air gap 4 mm.. ... 106 Gambar 4.48 Perbandingan tegangan terinduksi magnet (30x2) terhadap kenaikan rpm ... 108 Gambar 4.49 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (30x10x2) mm air gap 2 mm ... 111 Gambar 4.50 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (30x10x2) mm air gap 2 mm. ... 112 Gambar 4.51 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (30x10x2) mm air gap 2 mm ... 114 Gambar 4.52 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (30x10x2) mm air gap 2 mm. ... 115 Gambar 4.53 Pengukuran tegangan (30x10x2) mm air gap 2 mm.. ... 115 Gambar 4.54 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (30x10x2) mm air gap 3 mm ... 118 Gambar 4.55 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (30x10x2) mm air gap 3 mm. ... 118 Gambar 4.56 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (30x10x2) mm air gap 3 mm ... 121 Gambar 4.57 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (30x10x2) mm air gap 3 mm. ... 121

(17)

Gambar 4.58 Pengukuran tegangan (30x10x2) mm air gap 3 mm.. ... 122 Gambar 4.59 Pengujian rpm pada tegangan fasa-netral magnet rotor (30x10x2) mm air gap 4 mm ... 124 Gambar 4.60 Pengujian rpm pada arus fasa-netral magnet rotor (30x10x2) mm air gap 4 mm. ... 125 Gambar 4.61 Pengujian rpm pada tegangan fasa-fasa magnet rotor (30x10x2) mm air gap 4 mm ... 127 Gambar 4.62 Pengujian rpm pada arus fasa-fasa magnet rotor (30x10x2) mm air gap 4 mm. ... 128 Gambar 4.63 Pengukuran tegangan (30x10x2) mm air gap 4 mm.. ... 128 Gambar 4.64 Perbandingan tegangan terinduksi magnet (30x10x2) terhadap kenaikan rpm ... 130 Gambar 4.65 Perbandingan tegangan dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 2 mm tanpa beban ... 131 Gambar 4.66 Perbandingan tegangan dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 3 mm tanpa beban ... 132 Gambar 4.67 Perbandingan tegangan dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 4 mm tanpa beban ... 132 Gambar 4.68 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 2 mm pada beban lampu pijar ... 133 Gambar 4.69 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 3 mm pada beban lampu pijar ... 133 Gambar 4.70 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 4 mm pada beban lampu pijar ... 134

(18)

Gambar 4.71 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 2 mm pada beban lampu led ... 135 Gambar 4.72 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 3 mm pada beban lampu led ... 135 Gambar 4.73 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 4 mm pada beban lampu led ... 135 Gambar 4.74 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 2 mm pada beban lampu pijar+led ... 136 Gambar 4.75 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 3 mm pada beban lampu pijar+led ... 137 Gambar 4.76 Perbandingan daya dengan variasi bentuk dan ukuran magnet air gap 4 mm pada beban lampu pijar+led ... 137

(19)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi rancangan stator generator MPFA ... 32 Tabel 4.1 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 2 mm. . 42

Tabel 4.2 Pengujian rpm tanpa beban fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 2 mm. ... 43

Tabel 4.3 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 43 Tabel 4.4 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 44 Tabel 4.5 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 44 Tabel 4.6 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 2 mm. .... 45

Tabel 4.7 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 2 mm. ... 46

Tabel 4.8 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa Magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 46 Tabel 4.9 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 47 Tabel 4.10 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 47 Tabel 4.11 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 3 mm. . 49

Tabel 4.12 Pengujian rpm tanpa beban fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 50

(20)

Tabel 4.13 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 50 Tabel 4.14 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 50 Tabel 4.15 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 51 Tabel 4.16 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 3 mm .. 52

Tabel 4.17 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 53

Tabel 4.18 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 53 Tabel 4.19 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 53 Tabel 4.20 Pengujian rpm dengan beban l. Pijar+led fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 3 mm ... 54 Tabel 4.21 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 4 mm. . 56

Tabel 4.23 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 57 Tabel 4.24 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 57 Tabel 4.25 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 57

(21)

Tabel 4.26 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 59

Tabel 4.28 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 60 Tabel 4.29 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 60 Tabel 4.30 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 4 mm ... 60 Tabel 4.31 Perhitungan tegangan terinduksi dengan magnet rotor (20x2) mm .. 63 Tabel 4.32 Persentase magnet (20x2) mm ... 64

Tabel 4.33 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm. ... 65

Tabel 4.34 Pengujian rpm tanpa beban fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 65 Tabel 4.35 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 66 Tabel 4.36 Pengujian rpm dengan beban b. led fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 66 Tabel 4.37 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 66 Tabel 4.38 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (20x2) mm air gap 2 mm ... 68 Tabel 4.39 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 68

(22)

Tabel 4.40 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 69 Tabel 4.41 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 69 Tabel 4.42 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 2 mm ... 69 Tabel 4.43 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (20x2) mm air gap 3 mm .. 71 Tabel 4.44 Pengujian rpm tanpa beban fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 72 Tabel 4.45 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 72 Tabel 4.46 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 73 Tabel 4.47 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 73

Tabel 4.48 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 74

Tabel 4.49 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 75 Tabel 4.50 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 75 Tabel 4.51 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 76

(23)

Tabel 4.52 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 3 mm ... 76

Tabel 4.53 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm. ... 78

Tabel 4.54 Pengujian rpm tanpa beban fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 78 Tabel 4.55 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 79 Tabel 4.56 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 79 Tabel 4.57 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 79

Tabel 4.58 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 81

Tabel 4.59 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 81 Tabel 4.60 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 82 Tabel 4.61 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 82 Tabel 4.62 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (20x10x2) mm air gap 4 mm ... 82 Tabel 4.63 Perhitungan tegangan terinduksi dengan magnet rotor (20x10x2) mm

... 85

(24)

Tabel 4.64 Persentase magnet (20x10x2) mm ... 86 Tabel 4.65 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 87

Tabel 4.67 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 88 Tabel 4.68 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 88 Tabel 4.69 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 88 Tabel 4.70 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 2 mm .... 90 Tabel 4.71 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap

2 mm ... 90 Tabel 4.72 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 91 Tabel 4.73 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 91 Tabel 4.74 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 2 mm ... 91 Tabel 4.75 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 3 mm. . 93

Tabel 4.77 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 94

(25)

Tabel 4.78 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 95 Tabel 4.79 Pengujian rpm dengan beban l. Pijar+led fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 95 Tabel 4.80 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 96

Tabel 4.82 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 97 Tabel 4.83 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 98 Tabel 4.84 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 3 mm ... 98

Tabel 4.85 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 4 mm. ... 100

Tabel 4.86 Pengujian rpm tanpa beban fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 101 Tabel 4.87 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 101 Tabel 4.88 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 101 Tabel 4.89 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-netral magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 102 Tabel 4.90 Pengujian berbeban fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 4 mm . 103

(26)

Tabel 4.92 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 104 Tabel 4.93 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 104 Tabel 4.94 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (30x2) mm air gap 4 mm ... 105 Tabel 4.95 Perhitungan tegangan terinduksi dengan magnet rotor (30x2)mm . 107 Tabel 4.96 Persentase magnet (30x2) mm ... 108

Tabel 4.97 Pengujian berbeban fasa-netral Magnet (30x10x2) mm air gap 2 mm. ... 109

Tabel 4.103 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 2 mm ... 113

(27)

Tabel 4.104 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 2 mm ... 113 Tabel 4.105 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 2 mm ... 113 Tabel 4.106 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 2 mm ... 114

Tabel 4.107 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (30x10x2) mm air gap 3 mm. ... 116

Tabel 4.113 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 3 mm ... 119 Tabel 4.114 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 3 mm ... 120 Tabel 4.115 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 3 mm ... 120

(28)

Tabel 4.116 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 3 mm ... 120

Tabel 4.117 Pengujian berbeban fasa-netral magnet (30x10x2) mm air gap 4 mm. ... 122

Tabel 4.123 Pengujian rpm tanpa beban fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 4 mm ... 126 Tabel 4.124 Pengujian rpm dengan beban l. pijar fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 4 mm ... 126 Tabel 4.125 Pengujian rpm dengan beban l. led fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 4 mm ... 127 Tabel 4.126 Pengujian rpm dengan beban l. pijar+led fasa-fasa magnet (30x10x2) mm air gap 4 mm ... 127 Tabel 4.127 Perhitungan tegangan terinduksi dengan magnet rotor (30x10x2) mm

... 130

(29)

Tabel 4.128 Persentase magnet (30x10x2) mm ... 131

(30)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Generator merupakan bagian penting dalam suatu pembangkit listrik karena generator berfungsi untuk mengonversikan energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator sendiri sesuai hukum Faraday dimana setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi yang sebanding dengan perubahan fluks[1]. Dalam

sistem ketenagaan, generator ada beberapa jenis yang dimana salah satunya generator magnet permanen, dimana rotornya terdiri dari beberapa

magnet permanen. Pada generator magnet permanen dapat dibedakan berdasarkan

fluksnya menjadi menjadi Generator Fluks Radial dan Generator Fluks

Aksial. Generator fluks radial adalah generator yang dimana memiliki arah fluks radial terhadap sumbu putar sehingga arah fluks searah dengan arah putaran rotor, dikarenakan fluks dihasilkan oleh magnet yang letaknya

melingkari lilitan bagian luar dan lilitan terdapat pada pusat generator, Sedangkan fluks aksial adalah generator yang dimana medan fluks sejajar dengan sumbu putar.

Pemanfaatkan energi skala kecil yang menghasilkan putaran rendah seperti energi air dan energi angin memerlukan generator yang sesuai. generator pada umumnya banyak tersedia generator jenis High Speed Induction dimana memerlukan kecepatan pada putaran tinggi. Maka dibutuhkan generator dengan

kecepatan rendah yang mana salah satunya generator fluks aksial dengan

(31)

magnet permanen. Kelebihan generator fluks aksial dibandingan dengan generator fluks radial adalah kontruksinya lebih pendek, efisiensi lebih tinggi karena tidak menimbulkan rugi rugi pada rotor karena menggunakan magnet permanen dan memiliki kutub - kutub yang lebih banyak sesuai untuk kecepatan rendah[2].

Dalam unjuk kerja generator fluks aksial magnet permanen tergantung oleh beberapa hal yaitu pada bagian stator dan rotor. Pada stator ada diameter kawat, diameter kumparan dan jumlah lilitan kumparan. Pada rotor ada dimensi magnet, jenis magnet dan jumlah magnet serta jarak air gap (celah udara) yang mempengaruhi fluks magnet permanen terhadap lilitan pada stator. Hal ini juga mempengaruhi performa generator dalam menghasilkan daya output[3].

Pada penelitian yang berjudul Efek air gap pada rancang bangun dan uji performa generator listrik fluks aksial berbasis magnet permanen NdFeB menyimpulkan besar medan magnet permanen neodymium NdFeB berbanding lurus dengan output tegangan generator disesuaikan dengan jarak air gap yang optimal yang ditentukan. Dengan dimensi magnet permanen neodymium pada rotor yang digunakan hanya (40x17x5) mm. Generator yang digunakan dengan satu stator dan dua stator tiga fasa tanpa inti[4].

Pada penelitian Optimasi celah udara generator axial magnet permanen putaran rendah 1 fasa menyimpulkan jarak celah udara mempengaruhi daya ouput yang hanya dilakukan secara simulasi menggunakan software FEMM pada tipe satu stator dan 1 rotor[6].

Penelitian Rancang bangun generator portable fluks aksial magnet permanen jenis neodymium (NdFeB) menyimpulkan dengan 10 koil stator dan 10 magnet rotor

(32)

menghasilkan 6,4 V pada 600 rpm pada generator 1 fasa yang menggunkan 1 rotor dan 1 stator[10].

Dari penelitian ini akan dilakukan penelitian bagaimana pengaruh bentuk dan posisi rotor terhadap karakteristik generator magnet permanen fluks aksial tiga fasa tanpa inti, dimana pada penelitian ini ukuran dan bentuk magnet neodymium digunakan divariasi dengan bentuk persegi panjang dan lingkaran pada dimensi yang berbeda. Penambahan jumlah rotor dan stator menjadi dua stator dan tiga stator tiga fasa tanpa inti. Posisi dan jumlah kutub yang digunakan adalah 12 kutub magnet dimana tegangan dan arus yang dihasilkan dijadikan indikator untuk tingkat performa generator.

1.2. Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah pada penelitian ini adalah :

1. Pengaruh ukuran dan bentuk magnet neodymium terhadap karakteristik generator magnet permanen fluks aksial tiga fasa tanpa inti.

2. Pengaruh variasi jarak air gap terhadap karakteristik generator magnet permanen fluks aksial tiga fasa tanpa inti.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah untuk menganaslisis karakteristik generator magnet permanen fluks aksial tiga fasa terhadap perubahan bentuk dan posisi magnet neodynium dengan metode pengamatan data putaran, arus, tegangan dan daya.

(33)

1.4. Batasan Masalah

Batasan masalah dari tugas penelitian ini adalah :

1. Generator yang digunakan adalah generator prototype fluks aksial magnet permanen tanpa inti dengan dua stator dan tiga rotor.

2. Menggunakan magnet neodymium bentuk petak (rectangular type) dan piringan (disc type).

3. Penelitian hanya menganalisis tegangan, arus dan daya.

4. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental.

5. Tidak membahas bagian stator dari generator magnet permanen fluks aksial.

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat dijadikan sebagai referensi penelitian berikutnya dalam pengaruh bentuk dan posisi rotor terhadap karakteristik generator magnet permanen fluks aksial dan dapat diaplikasikan dalam pembangkitan kecepatan rendah yang membutuhkan generator.

(34)

BAB II DASAR TEORI

2.1. Generator

Generator merupakan mesin yang mengonversikan energi mekanik (gerakan) menjadi energi elektrik (listrik) sesuai prinsip kerja berdasarkan Hukum Faraday dimana setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan Gaya Gerak Listrik (GGL) yang sebanding dengan perubahan

fluks yang disebut Induksi elektromagnetik.

Dalam menentukan putaran generator ditentukan dari jumlah kutub dan frekuensi dari generator tersebut. Persamaan untuk menentukan

jumlah putaran generator pada Persamaan (2.1)[13] : n =120 𝑓

𝑝 (2.1) dimana :

n = putaran (Rpm) f = frekuensi (Hertz) p = jumlah kutub (Pole)

Demikian juga dalam merancang bangun sebuah generator,

memperhitungkan tegangan yang akan dihasilkan ditentukan dari jumlah lilitan, fluks magnetik, jumlah kumparan dan jumlah fasanya.

(35)

2.2. Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

Generator ini terdiri dari stator dan rotor dimana arah aliran fluksnya memotong secara aksial atau generator yang dimana arah fluksnya sejajar dengan arah putaran generator. Penggunaan generator diutamakan pada pembangkit yang memiliki daya pembangkitan kecil seperti angin dan aliran sungai kecil. Adapun generator MPFA memiliki kelebihan dibandingkan dengan generator konvensional diantaranya[2] :

1. Memiliki ukuran stator dan rotor yang lebih besar.

2. Konstruksi generator MPFA lebih sederhana.

3. Memiliki frekuensi tinggi pada putaran rendah terhadap rotor yang memiliki kutub magnet dalam jumlah lebih.

4. Tidak memerlukan arus eksitasi dan sikat karena rotor menggunakan magnet permanen.

5. Memiliki struktur yang lebih kuat karena stator dan rotor memiliki penyangga masing masing.

2.3. Rotor MPFA

Rotor generator MPFA saama hal dengan generator pada umumnya merupakan bagian yang berputar. Rotor terdiri dari piringan yang tersusun dari beberapa magnet permanen penghasil medan magnet dimana berfungsi untuk pembangkitan tegangan. Magnet permanen dipasang secara sejajar dengan kumparan stator untuk menghasilkan fluks magnet. Kontruksi rotor dapat dilihat pada Gambar 2.1[3].

(36)

Gambar 2.1 Konstruksi rotor magnet permanen.

Dalam menentukan luas area magnet dimana luas piringan rotor dan stator sama, agar kutub magnet permanen rotor dan kumparan stator sinkron. Perhitungan menentukan luas area magnet pada Persamaan (2.2)[8] :

𝐴_mag =π. (r_o²− r₁²) − τf(r₀− r₁). 𝑁_m

𝑁_m (2.2) Dimana:

ro = Radius luar magnet (m) ri = Radius dalam magnet (m) τƒ = Jarak antar magnet (m) Nm = Jumlah magnet

Amag = Luasan area Magnet (m²)

Dimana Persamaan 2.2 berlaku untuk magnet Arc type, untuk bentuk lingkaran dan petak menggunakan perhitungan luas bidang.

2.4. Stator MPFA

Pada generator MPFA, stator merupakan bagian yang tidak berputar/diam.

Stator terdapat kumparan kumparan yang disusun baik dalam jumlah lilitan, jarak antara lilitan (pitch factor) dan beda sudut antara fasa untuk menentukan jumlah

(37)

fasanya. Stator generator dapat menggunakan inti atau tanpa inti (coreless).

Penggunaan inti stator yang digunakan pada kumparan dipilih dari bahan permeabilitas magnetik tinggi berupa dari lapisan plat yang terlaminasi untuk mengurangi rugi rugi hysteresis. Lilitan tembaga juga dipilih dengan kualitas ketahanan akan panas hingga 150⁰ Celcius sehingga mampu dalam menahan panas pada generator. Bentuk bentuk kumpuran stator seperti Gambar 2.2[5].

Gambar 2.2 Konstruksi kumparan pada stator

Dalam menentukan jumlah lilitan kumparan pada stator untuk menghasilkan tegangan induksi yang diinginkan sesuai Persamaan (2.3)[8] :

𝐸_rms = 𝐸_maks

√2 = 2𝜋

√2N. ƒ. Φ_maks. 𝑁_s

𝑁_ph (2.3) Dimana:

Erms = tegangan terinduksi (Volt) N = jumlah lilitan per kumparan ƒ = frekuensi (Hz)

Φmaks = fluks magnet (Wb) Ns = jumlah kumparan Nph = jumlah fasa

(38)

2.5. Air Gap MPFA

Celah udara atau air gap adalah jarak antara permukaan stator dan rotor yang saling berhadapan. Lebar celah udara generator harus diperhatikan sebab celah udara menjadi tempat magnet permanen memotong kumparan stator terjadinya induksi yang menghasilkan tegangan, jarak ditentukan secara optimal dsan tidak berubah saat generator bekerja. Posisi Air Gap pada generator seperti Gambar 2.3[6].

Gambar 2.3 Celah udara (air gap)

Menentukan jarak antara stator dan rotor disesuaikan dengan densitas fluks dari magnet permanen.

2.6. Prinsip Kerja Generator MPFA

Prinsip kerja Generator Permanen Magnet Fluks Aksial sesungguhnya tidak jauh berbeda dengan prinsip kerja generator konvensional pada umumnya.

Penggunaan magnet permanen menghasilkan medan magnet yang tetap sehingga tidak memerlukan pencatuan arus searah untuk menghasilkan medan magnet.

Sedangkan fluks aksial diperoleh dari magnet permanen yang telah diberikan perlakuan khusus sehingga arah garis-garis gaya magnet keluar dari kutub magnet secara aksial atau vertikal. Prinsip generator permanen magnet fluks aksial secara

Air Gap

(39)

apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis- garis gaya magnet.

Generator ini juga memiliki konstruksi umum yang diperlihatkan pada Gambar 2.4 yaitu terdapat rotor yang memiliki magnet permanen sebagai sumber medan magnet, kumparan stator sebagai tempat terjadinya pembangkitan GGL dan celah udara merupakan jarak antara rotor dan stator yang terjadi induksi elektromagnetik[7].

Gambar 2.4 Kontruksi umum generator magnet permanen fluks aksial

2.7. Tipe Generator MPFA

Generator Magnet Permanen Fluks Aksial (MPFA) dibagi menjadi beberapa tipe. Tipe tersebut berdasarkan jumlah tingkatan (stage), arah fluks, penempatan magnet permanen pada rotor, tipe stator dari generator ini memiliki banyak tipe dan bentuk sesuai dengan efisiensi dari aplikasi dan kegunaanya. Dengan melihat dari berbagai sudut pandang kegunaan dan efisiensi, generator ini dapat dibagi menjadi beberapa tipe yang diantaranya adalah meninjau dari banyaknya stage (banyaknya side dari fluks aksial), dapat juga ditinjau dari bentuk magnet pada rotornya, dan juga dapat ditinjau dari bentuk stator yang dapat dilihat dari ada tidaknya slot pada stator[8].

(40)

2.7.1. Generator berdasarkan Tingkatan

Generator berdasarkan Tingkatannya (Stage) adalah tipe generator yang dibedakan dari jumlah rotor dan statornya. Dari tipe ini memiliki Beberapa jenis generator yaitu [8]:

1. Satu Tingkat (Single Stage)

Generator ini terdiri dari sebuah stator dan sebuah rotor. Generator ini biasa digunakan pada torsi kecil. Sehingga sangat efektif, bila digunakan pada generator angin dengan kapasitas penggerak yang kecil. Bentuk dari generator ini dapat dilihat pada Gambar 2.5[8].

Gambar 2.5 Bentuk generator satu singkat 2. Dua Tingkat (Double Stage)

Generator ini dibedakan menjadi dua bagian yaitu generator yang memiliki 2 rotor 1 stator atau 2 stator 1 buah rotor. Pada aplikasi generator dengan double stage ini biasanya digunakan pada torsi tinggi, sehingga dapat digunakan dengan tenaga berkapasitas besar. Bentuk dari generator ini dapat dilihat pada Gambar 2.6[8].

(a) 2 rotor 1 stator (b) 2 Stator 1 rotor

(41)

3. Banyak Tingkat (Multi Stage)

Generator Multi Stage memiliki lebih dari dua stator atau dua rotor. Generator ini dirancang untuk kebutuhan akan tenaga yang lebih besar (torsi), generator ini didesain. Hanya saja pada generator ini cukup besar jika dibandingkan pada dua tipe sebelumnya. Bentuk model dari generator Multi Stage dapat dilihat pada Gambar 2.7[8].

Gambar 2.7 Bentuk generator multi stage

2.7.2. Generator berdasarkan Rotor

Pada Generator Fluks Aksial Magnet Permanen dapat dibedakan berdasarkan tipe rotornya dimana ada 2 jenis yaitu[9] :

1. Berdasarkan Arah Fluks

Pada Generator ini rotor dipasangkan magnet permanen dengan arah fluks bertipe N-N (S-S) dan tipe N-S (S-N). Polaritas magnet permanen dimana N (North) dan S (South) pemasangannya dibedakan menjadi 2 yaitu :

a. Tipe N-N (S-S)

Generator dengan tipe rotor ini memiliki konstruksi posisi kutub magnet permanen antara rotor yang berdekatan sama. Arah Aliran fluks dari generator tipe ini dapat dilihat pada Gambar 2.8[9].

(42)

Gambar 2.8 Arah fluks pada tipe N-N (S-S)

Pada Gambar 2.8 memperlihatkan arah aliran fluks mengalir keluar dari kutub magnet N menuju stator. Kutub magnet pada rotor disebelahnya sama - sama N mengakibatkan arah fluks berbelok sejajar terhadap stator dan dibelokan menuju rotor akibat tarikan kutub S magnet. Dalam mengatasi aliran fluks ini dipasang inti besi penyangga kumparan stator untuk mengoptimalkan penggunaan fluks terhadap kumparan. Penggunaan inti besi memiliki kekurangan yaitu berat dan ukuran bertambah besar.

b. Tipe N-S (S-N)

Generator dengan tipe rotor ini memiliki konstruksi posisi kutub magnet permanen antara rotor yang berdekatan berbeda. Arah Aliran fluks dari generator tipe ini dapat dilihat pada Gambar 2.9[9].

Gambar 2.9 Arah fluks pada tipe N-S (S-N)

Pada Gambar 2.9 menunjukkan aliran fluks yang mengalir dari magnet permanen hingga menuju stator. Fluks keluar dari magnet utara bagian bawah menuju stator dan menembus stator hingga menuju magnet permanen pada

(43)

rotor bagian atas kemudian menuju horizontal dikarenakan beda polaritas antara magnet yang disampingnya.

2. Berdasarkan Penempatan Magnet

Generator FAMP dibedakan berdasarkan Penempatan Magnet Permanennya.

Peletakan magnet permanen pada piringan rotor ada 2 cara yaitu : a. Magnet di permukaan rotor

Pemasangan Magnet Permanen pada rotor dapat ditempatkan pada permukaan piringan rotor dimana salah satu bagian kutub ditempelkan.

Pemasangan jenis ini dapat dilihat pada Gambar 2.10[5].

Gambar 2.10 Magnet di permukaan rotor

Rotor jenis ini memiliki piringan yang lebih tipis menyebabkan rotor lebih ringan dan menimbulkan pendinginan pada stator karena adanya ruang antara magnet permanen.

b. Magnet di tanam pada rotor

Rotor jenis ini dimana seluruh bagian di tanam pada piringan rotor dan salah sisi kutub magnet telihat dipermukaan rotor. Penempatan jenis ini dapat dilihat pada Gambar 2.11[5].

Gambar 2.11 Magnet ditanam pada rotor

(44)

Pada tipe pemasangan ini piringan rotor yang digunakan lebih tebal dari pada tipe sebelumnya, akibatnya rotor lebih berat, akan tetapi

pemasangan ini lebih kokoh karena kemungkinan magnet permanen lebih stabil pada rotor pada saat generator berputar.

2.7.3. Generator berdasarkan Stator

Generator MPFA juga dapat dibedakan berdasarkan jenis statornya. Jenis stator dapat dibedakan menjadi dua, yaitu[9] :

1. Stator berinti (Torus)

Dalam perancangan stator generator MPFA dapat diberi peyangga yaitu inti besi. Penggunaan inti besi biasanya digunakan untuk

mengoptimalkan fluks generator khususnya pada generator dengan rotor tipe N-N (S-S). Tipe stator berinti juga ada terdiri dari dua macam yaitu :

a. Tipe slot

Tipe slot stator pada inti besinya terdapat kumparan yang membentuk baris–

baris yang dihubungkan di dalam slot secara back-to-back.

b. Tipe nonsloted

Tipe non-slot stator pada kumparan lebar dengan kumparan celah udara AC fasa banyak yang dibungkus oleh inti stator yang dihubung secara

back-to-back. Kumparan biasa diisi resin untuk ketahanan kumparannya.

2. Stator tanpa Inti (Coreless)

Stator tanpa inti yaitu kumparan tanpa penyangga atau tidak menggunakan inti besi. Generator ini digunakan untuk putaran yang lebih rendah dan biaya

(45)

yang lebih murah. Stator jenis ini cocok dipasangkan dengan generator rotor tipe N-S (S-N). Stator tanpa inti ada 2 macam juga yaitu :

a. Tipe Menumpuk (Overlapping)

Tipe ini kumparan ditumpuk atau ditimpah dengan fasa kumparan yang berbeda antara satu dengan yang lain. Bentuk tipe ini dapat dilihat pada Gambar 2.12[5].

Gambar 2.12 Kumparan stator ditumpukan/ditimpah b. Tipe tidak Menumpuk (non-Overlapping)

Tipe ini disusun dengan kumparan tidak ditumpuk atau ditimpah. Bentuk ini dapat dilihat pada Gambar 2.13[5].

Gambar 2.13 Kumparan stator tidak menumpuk

2.8. Magnet Permanen

Magnet merupakan benda yang menghasilkan medan magnet yang selalu memiliki dua kutub. Kutub utara dan kutub selatan dimana arah aliran fluksnya (garis garis gaya magnet) dari kutub utara ke kutub selatan. Magnet yang digunakan untuk penelitian ini adalah magnet permanen jenis Neodymium dimana jenis magnet langka yang terbuat dari bahan Neodymium Alloy, Iron, dan Boron.

(46)

Campuran bahan tersebut dibentuk menjadi Tetragonal Crystalline (Nd2Fe14B).

Garis garis Gaya magnet ditunjukkkan pada Gambar 2.14[12].

Gambar 2.14 Garis – garis gaya magnet

Magnet Permanen Neodymium sering disebut dengan magnet Neo atau magnet NdFeB. Magnet Neodymium menjadi magnet permanen terkuat yang memiliki koersivitas yang tinggi yaitu tahan dalam mengalami kerusakan Magnetik. Bentuk bentuk Magnet Neodynium dapat dilihat pada Gambar 2.15[12].

Gambar 2.15 Magnet neodymium

Pada generator, magnet permanen yang menghasilkan fluks magnet digunakan untuk membangkitan gaya gerak listrik (GGL) induksi terhadap kumparan dimana harus adanya perubahan fluks dari proses perputaran rotor terhadap stator. Semakin cepatnya perubahan fluks magnet daya yang dihasilkan pun semakin besar.

Kelebihan magnet permanen digunakan pada generator adalah[12] :

1. Tidak membutuhkan arus eksitasi yang menimbulkan rugi rugi eksitasi sehingga efisiensi lebih tinggi.

2. Kontruksi lebih sederhana sehingga perawatan lebih mudah.

(47)

2.9. Prinsip Induksi Elektromagnetik

Pada generator terjadi induksi elektro magnetik yang mengacu pada

hukum Faraday dan Lenz. Hukum Faraday menjelaskan bahwa Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan

menimbulkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut, hal tersebut sesuai dengan Persamaan 2.4[13] :

e = −𝑁𝑑∅

𝑑𝑡 (2.4) Keterangan :

e = Gaya gerak listrik N = Jumlah lilitan

d∅ = Perubahan fluks magnetic dt = Perubahan waktu

Sedangkan hukum Lenz menjelaskan bahwa GGL induksi yang muncul berarah melawan perubahan fluks menyebabkannya arus yang mengalir atau dengan kata lain bahwa arus induksi menghasilkan medan magnet yang melawan perubahan fluks magnet yang menghasilkan arus induksi. Pada generator tipe axial, fluks magnet tidak akan banyak terjadi saat magnet tidak bergerak, tetapi saat piringan dua rotor digerakkan maka akan dihasilkan tegangan potensial. Perubahan kecepatan akan mempengaruhi

besar potensial tegangan yang dihasilkan.seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.16[4].

(48)

Gambar 2.16 Pergerakan fluks pada generator tipe aksial

Untuk menentukan Fluks magnet maksimal, ditentukan oleh Persamaan 2.5[12] : 𝐵_maks = 𝐵_r 𝐼_m

𝐼_m+ 𝛿 (2.5) Dimana :

Br = Kerapatan fluks (T) lm = Tinggi magnet (m) δ = Lebar celah udara (m) Bmaks = Fluks magnet maksimal (T)

Maka diperoleh fluks maksimum yang dihasilkan dengan Persamaan 2.6[12] :

∅_maks = 𝐴_mag 𝑥 𝐵_maks (2.6) Dimana :

Amag = Luasan magnet (m²) Bmaks = Fluks magnet maksimal (T) Ømaks = Fluks maksimum (Wb)

Induksi elektromagnetik di pengaruhi oleh celah udara pada generator. Celah udara pada generator merupakan tempat berpindahnya fluks magnet pada magnet permanen dan menginduksikan ke kumparan stator. Pada celah udara ini terjadi mekanisme perpindahan atau konversi energi dari mekanik menjadi listrik. Besar atau lebarnya celah udara ini mempengaruhi penginduksian ke kumparan stator.

(49)

Pada generator fluks aksial celah udara bisa saja lebih dari satu tergantung banyaknya stator atau rotor yang digunakan pada generator tersebut tentunya berbeda dengan celah udara pada generator radial.

2.10. Rangkaian Tiga Fasa

Sistem tiga fasa merupakan sistem yang menggunakan sumber tegangan secara konvensional yang terdiri atas tiga buah tegangan dengan magnitude yang sama dan berbeda fasa sebesar 120 derajat. Karena mempunyai keuntungan ekonomi dan cara cara tertentu, sistem tiga fasa menjadi sistem yang umum digunakan. Masing masing tegangan dari sumber tiga fasa yang dihubungan pada rangkaian yang berlainan, maka sistem ini memiliki 3 sistem satu fasa yang terpisah.

Daya listrik pada sistem tenaga listrik 3 fasa, tegangan yang seimbang terdiri dari tegangan satu fasa yang mempunyai magnitude dan frekuensi sama akan tetapi mempunyai beda fasa sebesar 120°, sedangkan secara fisik mempunyai perbedaan sebesar 60°, dan dapat dihubungkan secara Bintang (Y) atau segitiga (Delta Δ).

Gelombang tiga fasa ditunjukkan pada Gambar 2.17[7].

Gambar 2.17 Gelombang tiga fasa

Pada Gambar 2.17 terlihat gelombang tegangan fasa pada sistem tiga fasa.

Jika gelombang-gelombang tegangan berputar dengan kecepatan sudut dan dengan

(50)

arah berlawanan jarum jam (arah positif), maka nilai maksimum positif dari fasa terjadi berturut-turut untuk fasa Va, Vb dan Vc. sistem fasa 3 ini dikenal sebagai sistem yang mempunyai urutan fasa a – b – c . Sistem tegangan fasa 3 dibangkitkan oleh generator fasa 3. Rangkaian fasa 3 terhubung menjadi 2 bagian yaitu : berhubung Star dan berhubung Delta.

1. Hubungan Bintang / Star ( Y )

Pada hubungan bintang (Y), ujung ujung tiap fasa dihubungkan menjadi satu dan menjadi titik netral atau titik bintang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.18. Tegangan antara dua terminal dari tiga terminal a – b – c mempunyai besar magnitude dan beda fasa yang berbeda dengan tegangan tiap terminal terhadap titik netral. Tegangan Va,Vb dan Vc disebut tegangan fasa atau Vf. Hubungan bintang tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 2.18[7].

Gambar 2.18 Hubungan Bintang / Star

Dengan adanya saluran atau titik netral maka besaran tegangan fasa

dihitung terhadap saluran atau titik netralnya, juga membentuk sistem

tegangan fasa 3 yang seimbang dengan magnitudenya (akar 3 dikali magnitude dari tegangan fasa). Vline = √3Vf = 1,73Vf. Sedangkan

untuk arus yang mengalir pada semua fasa mempunyai nilai yang sama per line = I fasa, Ia = Ib = Ic.

(51)

2. Hubungan Delta / Segitiga

Pada hubungan Delta/Segitiga ketiga fasa saling dihubungkan sehingga membentuk hubungan 3 fasa seperti Gambar 2.19[7].

Gambar 2.19 Hubungan delta

Dengan tidak adanya titik netral, maka besarnya tegangan saluran dihitung antar fasa, karena tegangan saluran dan tegangan fasa mempunyai besar magnitude yang sama, maka Vline = Vfasa, Tetapi arus saluran dan arus fasa tidak sama dan hubungan antara kedua arus tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan hukum kirchoff, sehingga : Iline =If . √3.

Dalam Menghitung Daya sebuah generator ada 3 jenis yaitu : 1. Daya Aktif

Daya Aktif adalah daya yang digunakan dalam melakukan energi sebenarnya, dimana satuan Daya Aktif adalah Watt. Perumusan dalam penghitung daya aktif seperti pada Persamaan 2.7 dan Persamaan 2.8.

𝑃₁Φ = 𝑉. I. cos

φ

(2.7) 𝑃₃Φ = 3𝑉_L𝑁. I. cos

φ

(2.8)

Dimana :

P1Φ = daya satu fasa (Watt) P3Φ = daya tiga fasa (Watt) V = tegangan generator (Volt)

(52)

I = arus generator (Ampere) cos

φ =

faktor daya

2. Daya Reaktif

Daya Reaktif adalah Jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet yang terbentuk fluks magnet. Contohnya pada Mesin Listrik, Lampu Pijar, Trafo dll. Satuan Daya Reaktif adalah Var. Perumusan dalam penghitung daya Reaktif seperti pada Persamaan 2.9 dan Persamaan 2.10.

𝑄₁Φ = 𝑉. I. sin

φ

(2.9) 𝑄₃Φ = 3𝑉_L𝑁. I. sin

φ

(2.10)

3. Daya Semu

Daya Semu adalah Daya yang dihasilkan oleh perkalian antara tegangan rms dan arus rms yang merupakan penjumlahan trigonometri daya aktif dan daya reaktif. Satuan Daya Semu adalah VA. Perumusan dalam penghitung daya Reaktif seperti pada Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12.

𝑆₁Φ = 𝑉. I (2.11) 𝑆₃Φ = 3𝑉_L𝑁. I (2.12)

2.11. Karakteristik Generator Sinkron

Pengujian karakteristik generator sinkron dilakukan pada umumnya dengan beberapa pengujian, diantaranya[12] :

1. Pengujian tanpa Beban (Beban Nol)

Pada pengujian tanpa adanya beban (Beban Nol) adalah dengan menguji generator dengan menaikan arus medan (If) secara bertahap pada kecepatan (N) tetap dan mengukur tegangan output.

(53)

𝐸_a = f (𝐼_f) , N = konstan (2.13) Dimana :

Ea = tegangan output beban Nol (V) If = arus medan (A)

2. Pengujian Berbeban

Pengujian Berbeban generator adalah pengujian dengan memberi beban bertahap pada kecepatan (N) tetap dengan arus medan (If) tetap dan mengukur tegangan dan arus yang dihasilkan generator.

𝑉 = f (𝐼_a) , N = konstan (2.14) Dimana :

V = tegangan output (V) Ia = arus jangkar (A)

Pengujian berbeban juga akan mempengaruhi tegangan sistem generator seiring bertambahnya jumlah tahanan beban dimana :

𝑉 = I. R (2.15) Dimana :

V = tegangan keluaran (Volt) I = arus keluaran (Ampere) R = Tahanan (Ohm)

3. Pengujian Hubung Singkat

Pengujian hubung singkat generator adalah menguji dengan keadaan generator berputar pada kecepatan (N) tetap dengan menaikan arus medan (If) secara bertahap dan mengukur arus jangkar (Isc) yang dihasilkan generator.

𝐼_sc= f (𝐼_f) , N = konstan (2.16)

(54)

Dimana :

Isc = arus jangkar (A) If = arus medan (A)

Dari ketiga pengujian karakteristik generator sinkron tersebut, karena generator dalam penelitian ini menggunakan generator yang sebagai berikut:

1. Rotor menggunakan magnet permanen Neodymium.

2. Tidak adanya arus medan, maka pengaturan arus medan tidak dapat dilakukan.

Maka dari ketiga pengujian karakteristik generator sinkron, pada generator FAMP hanya pengujian Berbeban yang dapat dilakukan.

(55)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

Penelitian ini dilaksanakan selama kurang lebih 2 bulan di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2. Perancangan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

Dalam penelitian ini menggunakan rancangan generator MPFA 3 fasa tanpa inti dengan jumlah stator 2 buah dipasang paralel dan rotor 3 buah dengan frekuensi 50 Hz pada kecepatan 500 rpm. Dalam menentukan spesifikasi generator sebagai berikut :

1. Menentukan jumlah kutub magnet dan kumparan

Rancangan generator dalam mengetahui jumlah kutub yang digunakan sesuai Persamaan 2.1 dapat hitung sebagai berikut :

P = 120𝑓 𝑛

=120 𝑥 50 500

= 12 𝑘𝑢𝑡𝑢𝑏

Dengan generator pada frekuensi 50 Hz dan kecepatan putaran 500 rpm dibutuhkan jumlah magnet 12 kutub. Sesuai standard dalam perbandingan jumlah kutub magnet dan jumlah kumparan adalah 4 : 3, maka jumlah kumparan pada stator adalah 9 buah dan kutub magnet 12 buah.

(56)

2. Menghitung kerapatan medan magnet

Dalam rancangan generator ini, menggunakan magnet permanen dengan magnet yang digunakan jenis neodynium dengan Br = 0,23 T dan ketebalan magnet 2 mm, maka dapat dihitung Kerapatan Medan Magnet sesuai perhitungan Persamaan 2.5 :

𝐵_maks = 𝐵_r 𝐼_m 𝐼_m+ 𝛿 = 0,23 0,2

0.2 + δ

= 0,046 0.2 + δ

Untuk nilai δ yaitu jarak air gap diatur dan ditentukan dalam penelitian ini yaitu jarak 2 mm, 3 mm dan 4 mm. Maka untuk variasi air gap hasilnya sebagai berikut:

Untuk air gap 2 mm :

𝐵_maks = 0,046 0,2 + 0,2 = 0,115 𝑇 Untuk air gap 3 mm :

𝐵_maks = 0,046 0,2 + 0,3 = 0,092 𝑇 Untuk air gap 4 mm :

𝐵_maks = 0,046 0,2 + 0,4 = 0,076 𝑇

(57)

3. Menghitung luasan area magnet

Dalam penelitian ini menggunakan 4 jenis variable ukuran dan bentuk magnet permanen yaitu: (20x2) mm, (20x10x2) mm, (30x2) mm dan (30x10x2) mm dimana didesain untuk menjadi magnet rotor dengan ukuran:

untuk magnet (20x2) mm :

Gambar 3.1 Desain ukuran rotor dengan magnet permanen (20x2) mm.

untuk magnet (20x10x2) mm :

Gambar 3.2 Desain ukuran rotor dengan magnet permanen (20x10x2) mm.

untuk magnet (30x2) mm :

Gambar 3.3 Desain ukuran rotor dengan magent permanen (30x2) mm.

r

o

r

i

τf

ro = 7,5 cm ri = 5,5 cm τf = 1,4 cm

r

o

r

i

τf

ro = 7,5 cm ri = 5,5 cm τf = 2,4 cm

r

o

r

i

τf

ro = 8 cm ri = 5 cm τf = 0,4 cm