Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 1
PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK MENGGUNAKAN
GENERATOR MAGNET PERMANEN DENGAN MOTOR DC
SEBAGAI PRIME MOVER
Oleh :Mustofa, Prof. Dr. Ir. H. Didik Notosudjono, M.Sc.1), Ir. Dede Suhendi, MT.2) Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Pakuan Bogor, Jl. Pakuan, Bogor
16143
e-mail : mustofaelektro@gmail.com
ABSTRAK
Indonesia adalah negara yang sangat luas dan berpulau-pulau yang membutuhkan suplai listrik yang sangat besar. Sebagai negara berkembang krisis energi di indonesia masih dirasakan, baik di daerah terpencil, kota kecil sampai besar sekalipun, dampaknya sangat terasa. Daya listrik saat ini sudah menjadi kebutuhan primer bagi kehidupan manusia. Kelangkaan energi serta mahalnya biaya listrik terkadang menjadi masalah bagi kalangan menengah ke bawah. Dari permasalahan tersebut dapat dirumuskan pada bagaimana membuat model pembangkit listrik yang prime mover atau energi potensialnya mudah ditemukan di alam. Model generator magnet permanen yang dibutuhkan adalah yang mempunyai kehandalan dan efisiensi yang baik pada putaran rendah, sehingga bisa digunakan untuk memanfaatkan energi potensial kecil yang ada di alam. Generator magnet permanen sederhana ini dirancang mampu mengeluarkan daya dan voltase yang cukup untuk mengisi baterai/accumulator agar kemudian bisa dimanfaatkan energi listriknya untuk memenuhi kebutuhan energi listrik bagi daerah terpencil dan kalangan menengah kebawah. Dengan merancang generator magnet permanen neodymium sederhana sebagai alat pembangkitan energi listrik, diharapkan dapat menjadi salah satu dari alternatif teknologi dan solusi krisis energi listrik pada kehidupan masyarakat. Dalam hal ini telah dirancang model generator magnet permanen sederhana dengan magnet neodymium 1 fasa yang mampu menghasilkan tegangan 230 Vac, 0,8 A serta mampu mensuplai beban sebesar 150 watt pada putaran 2000 rpm.
Kata Kunci : krisis Energi, Putaran Rendah, Generator Magnet Permanen Neodymium, Accumulator.
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi di era globalisasi saat ini berimbas pada peningkatan kebutuhan energi listrik yang sangat besar, baik itu di negara maju maupun negara berkembang seperti indonesia. Pembangkit listrik terbarukan atau energi alternatif merupakan pilihan terbaik untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dunia mengingat mahal dan langkanya energi minyak bumi yang selama ini selalu menjadi pilihan utama pada sistem pembangkitan energi listrik.
Untuk membangkitkan listrik dari energi alternatif yang ada biasanya tetap menggunakan generator untuk proses pembangkitan listrik. Generator yang tersedia banyak dipasaran biasanya berjenis high speed induction generator dimana pada generator jenis ini membutuhkan putaran tinggi dan juga membutuhkan energi listrik awal untuk membuat medan magnetnya. Sedangkan pada perancangan alat ini
dibutuhkan generator yang berjenis low speed dan tanpa energi listrik awal, agar bisa ditempatkan di daerah-daerah terpencil yang tidak memiliki aliran listrik.
Penyusunan Tugas Akhir ini bertujuan untuk memaparkan tentang penggunaan magnet permanen dalam pemanfaatanya untuk membangkitkan energi listrik. Pemanfaatan magnet permanen sangat berguna dalam penerapan pembangitan listrik skala kecil, karena generator magnet permanen mempunyai keunggulan ketika hanya mendapatkan putaran rendah tapi bisa mengeluarkan energi listrik yang cukup besar.
Perancangan generator magnet permanen ini menggunakan magnet permanen jenis neodymium dikarenakan mempunyai kerapatan fluks magnet yang sangat tinggi, sehingga sangat baik digunakan untuk merancang generator magnet permanen.
Dalam perancangan pembangkit listrik skala kecil ini generator magnet permanen
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 2 digerakan oleh motor DC sebagai prime
mover. Motor DC dikopel terhadap generator dengan bantuan pulley sebagai rasio perbandingan putaran.
Perancangan alat pembangkit listrik menggunakan magnet permanen skala rumah sederhana ini dapat bermanfaat bagi penerapan pencahayaan bagi daerah-daerah terpencil yang sangat susah untuk dijangkau dalam proses penyaluran listrik negara. 1.2 Tujuan
Perancangan alat ini bertujuan untuk memahami perinsip kerja dari pembangkitan energi listrik dengan memanfaatkan generator magnet permanen neodymium. Dengan membuat desain awal pembangkit listrik sederhana yang memanfaatkan magnet permanen sebagai generator, diharapkan menjadi salah satu alternatif teknologi dan solusi dari krisis energi saat ini serta berguna bagi kehidupan masyarakat.
2. TEORI DASAR
2.1. Pembangkitan Listrik Melalui Proses Kimia
Menurut Alesandro Volta dengan menggunakan proses kimia kita juga dapat menghasilkan listrik DC.
Proses kimia pembangkitan listrik (discharging) pada accumulator adalah sebagai berikut :
PbO2 + Pb + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2
H2O
Reaksi kimia yang terjadi pada proses pengisian accumulator (charging) adalah sebagai berikut :
PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 PbO2 + Pb + 2
H2SO4.
2.2. Pembangkitan Listrik Melalui Proses Induksi Elektromagnetik
Menurut Hukum Faraday apabila sebuah kumparan atau belitan kawat dan kemudian ada magnet yang digerakan keluar masuk pada kumparan tersebut maka akan ada fluks magnet yang mengalir pada kumparan tersebut yang diakibatkan oleh GGL induksi, aliran fluks magnet yang mengalir pada kumparan kita sebut sebagai aliran arus listrik (A). Sedangkan GGL induksi yang berubah-ubah pada ujung-ujung kumparan ketika kita menggerak-gerakan magnet disebut sebagai beda potensial atau tegangan (V). Besar kecilnya GGL tergantung dari 3 hal, yaitu :
1. Banyaknya lilitan kawat atau kumparan.
2. Kecepatan magnet dalam menginduksi kumparan.
3. Kekuatan magnet yang digunakan. Besarnya gaya gerak listrik atau tegangan yang menimbulkan arus listrik sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang melalui kumparan. Jika dituliskan secara matematis adalah sebagai berikut :
Dimana :
Ei = GGL Induksi
N = Lilitan (Weber atau Wb) ∆t = Perubahan Waktu (second) ∆ϴ = Fluks Magnetik (Weber atau Wb) 2.3. Generator
Generator adalah salah satu mesin listrik yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator berdasarkan pada teori induksi medan elektromagnetik. Bagian utama generator terdiri dari kumparan medan dan kumparan jangkar yang diletakan di rotor dan stator. Rotor adalah bagian generator yang berputar sedangkan stator adalah bagian generator yang diam. Hubungan antara frekuensi dan kecepatan putar generator dapat dirumuskan pada persamaan berikut ini :
Dimana :
n = kecepatan putaran rotor (rpm) f = frekuensi (Hz)
p = jumlah kutub rotor
Tegangan rms yang dibangkitkan dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut : Dimana : Erms= tegangan induksi n = putaran (rpm) N = jumlah lilitan f = frekuensi (Hz)
Ns = jumlah kumparan stator
P = jumlah kutub
ϴmax = fluks magnetik (weber)
Nph = jumlah fasa
Fluks (ϴ) maksimum yang dihasilkan adalah :
Dimana :
Amagn = Area luas magnet Bmax = Densitas fluks magnet Luasan magnet sebagai berikut :
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 3 Dimana :
ro = Radius luar magnet ri = radius dalam magnet
f = jarak antar magnet Nm= jumlah magnet
Nilai kerapatan fluks magnet maksimum (Bmax) :
Dimana :
Br = Densitas fluks magnet lm = Panjang magnet
= Jarak antara rotor dan stator Berdasarkan tegangan dan arus listrik yang dibangkitkan generator dibedakan menjadi dua jenis, yaitu :
1. Generator AC (arus bolak-balik) 2. Generator DC (arus searah) 2.4. Motor Arus Searah (DC)
Motor arus searah (DC) adalah mesin listrik yang dapat merubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanik yang berupa putaran.
Motor arus searah bekerja berdasarkan hukum lorentz atau prinsip interaksi antara dua fluks magnet. Dimana kumparan medan akan meghasilkan fluks magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan dan kumparan jangkar akan menghasilkan fluks magnet yang melingkar. Interaksi antara kedua fluks magnet ini menimbulkan suatu gaya.
Bagian utama motor arus searah (DC) terdiri dari kumparan medan dan kumparan jangkar yang diletakan di stator dan rotor. Rotor adalah bagian yang berputar sedangkan stator adalah bagian yang diam.
Besarnya gaya yang dibangkitkan motor dapat dirumuskan melalui persamaan sebagai berikut :
Dimana :
F = gaya lorentz (Newton)
Ia= arus yang mengalir pada konduktor
jangkar (ampere)
ϴ= kerapatan fluks magnet (weber/m2) l = panjang konduktor jangkar (m) Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan :
Dimana :
T = torsi motor (N.m)
F = gaya lorentz yang dihasilkan motor (Newton)
r = jari-jari motor (m)
2.5. Mesin Fluks Aksial
Menurut (Purnawan Budi Setia, 2012, hal 25-26) mesin fluks aksial merupakan salah satu tipe alternatif selain mesin silinder fluks radial. Mesin jenis ini memiliki konstruksi yang kompak, berbentuk piringan dan kerapatan daya yang besar. Pada mesin listrik berjenis fluks aksial digunakan magnet permanen. Penggunaan magnet permanen pada mesin listrik ini dapat menghasilkan medan magnet pada celah udara tanpa perlu eksitasi dan tanpa disipasi daya listrik.
Magnet permanen yang digunakan secara umum antara lain :
1. Alnico (Al, Ni, Co, Fe)
2. Keramik/Besi (ferrites), seperti barium ferrite (BaOx6Fe2O3) dan stronitium ferrite (SrOx6Fe2O3)
3. Material rare earth seperti samarium cobalt (SmCo) dan neodymium-iron-boron (NdFeB)
Kelebihan penggunaan magnet permanen pada konstruksi mesin listrik ini adalah :
1. Tidak ada energi yang diserap sistem medan eksitasi sehingga tidak ada kerugian eksitasi yang artinya dapat meningkatkan efisiensi.
2. Menghasilkan torsi yang lebih besar daripada menggunakan eksitasi elektromagnet.
3. Menghasilkan performa dinamis yang lebih besar (kerapatan fluks magnet lebih besar pada celah udara) dibandingkan dengan menggunakan eksitasi.
4. Menyederhanakan konstruksi dan perawatan.
5. Mengurangi biaya pemeliharaan pada beberapa tipe mesin.
Pada mesin fluks aksial ini ada beberapa desain, antara lain adalah :
1. Mesin Sisi Ganda Rotor Tunggal 2. Mesin Sisi Ganda Stator Tunggal 3. Mesin Tunggal
4. Mesin Sisi Ganda Tanpa Besi 5. Mesin Sisi Banyak
2.5.1. Magnet Neodymium
Magnet neodymium dikenal juga sebagai magnet NdFeB, NIB atau magnet Neo dan merupakan magnet yang paling sering digunakan dalam dunia industri. Magnet ini terbuat dari campuran magnet jarang bumi, magnet ini adalah jenis magnet permanen yang terbuat dari perpaduan neodymium, besi, dan boron untuk membentuk struktur kristal tetragonal NdFe14B. Magnet neodymium adalah magnet tipe terkuat yang tersedia secara
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 4 komersil dalam pemanfaatanya dalam dunia
teknologi karena magnet ini juga mempunyai ketahanan terhadap kehilangan sifat kemagnetan yang sangat tinggi. Magnet ini juga mempunyai potensi untuk menyimpan energi magnet dalam jumlah yang sangat besar, lebih baik dari pada magnet samarium cobalt.
2.5.2. Baterai (accumulator)
Baterai atau accumulator adalah suatu alat yang berfungsi menyimpan energi listrik dalam energi kimia, dimana akan mengeluarkan energi listrik bila diperlukan. 2.6. Penyearah (rectifier)
Menurut (Yustinus Swidyatmoko, 2010) penyearah adalah alat pengubah sumber listrik bolak-balik (AC) menjadi listrik arus searah (DC). Alat tersebut berupa rangkaian elektronik dengan komponen utama dioda. Dalam penyearahan tegangan bolak-balik (AC) digunakan sebuah dioda jembatan (bridge) atau empat buah dioda penyearah. Gelombang keluaranya lebih baik bila dibandingkan dengan penyearah setengah gelombang. Berikut adalah jenis-jenis penyearah :
1. Rangkaian penyearah setengah gelombang satu fasa
2. Rangkaian penyearah gelombang penuh satu fasa
3. Rangkaian penyearah gelombang penuh tiga fasa
Berikut adalah contoh rangkaian penyearah gelombang penuh yang biasa digunakan untuk menyearahkan tegangan bolak balik (AC) menjadi tegangan arus searah (DC).
Gambar 2.16 Rangkaian Rectifier 1 fasa
2.7. Inverter
Menurut (Yustinus Swidyatmoko, 2010) konverter DC ke AC dinamakan inverter. Fungsi sebuah inverter adalah mengubah
listrik input (DC) menjadi listrik output (AC) simetris dengan besar dan frekuensi yang diinginkan. Tegangan outputnya bisa tertentu dan bisa juga diubah-ubah dengan frekuensi tertentu atau frekuensi yang diubah-ubah. 2.8. Kawat Email
Kawat email adalah kawat tembaga murni yang bagian luarnya dilapisi dengan lumen sebagai isolator dan penahan korosi. Penggunaan kawat email dalam pembuatan motor atau generator mempunyai beberapa keunggulan, antara lain adalah konduktivitas listrik tinggi, tahan korosi, ekspansi panas tinggi, konduktivitas panas tinggi, bisa disolder, mudah dipasang.
Kawat email mempunyai kemampuan hantar arus (khA) sesuai dengan diameter kawat tersebut, berikut adalah daftar khA dari kawat email :
Tabel 2.2 Kemampuan Hantar Arus Kawat Email
No Diameter Kawat
(mm)
Kemampuan Hantar Arus (khA)
(Ampere) 1. 0,1 0,016 s/d 0,024 2. 0,2 0,064 s/d 0,094 3. 0,3 0,141 s/d 0,212 4. 0,4 0,251 s/d 0,377 5. 0,5 0,390 s/d 0,588 6. 0,6 0,566 s/d 0,849 7. 0,7 0,770 s/d 1,160 8. 0,8 1,010 s/d 1,510 9. 0,9 1,270 s/d 1,910 10. 1,0 1,570 s/d 2,360 11. 1,5 3,530 s/d 5,300 12. 2,0 6,280 s/d 9,420 Sumber : Author 3. PERANCANGAN ALAT 3.1 Gambaran Umum Perancangan
Dalam perancangan alat untuk aplikasi pemanfaatan generator magnet permanen dan motor DC magnet permanen. Perancangan dimulai dengan merancang generator magnet permanen yang dibagi menjadi beberapa bagian, antara lain adalah :
1. Perancangan Stator Generator. 2. Perancangan Rotor Generator. 3. Perancangan Pulley.
4. Perancangan Rectifier.
Sistem kerja dari alat pemanfaatan generator magnet permanen dan motor DC magnet permanen dapat disimulasikan dengan gambar di bawah ini :
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 5 Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Kerja Alat
3.2 Perancangan Generator Magnet Permanen
Generator ini dirangkai sebagai sumber energi listrik dalam perancangan alat secara keseluruhan. Dalam perancagan generator sendiri terdapat dua komponen penting dalam perancanganya, diantaranya adalah :
1. Perancangan Stator generator. 2. Perancangan Rotor Generator.
Dalam perancangan, generator dirancang agar bisa dibongkar dan pasang sehingga dapat dilakukan perawatan dan penggantian komponen dengan mudah ketika ada kerusakan.
Gambar 3.2 Genertor Magnet Permanen Sumber : Author
3.2.1. Stator Generator
Stator generator adalah bagian dari generator berupa kumparan kawat tembaga yang dirancang berbentuk silindris dan akan menerima induksi magnet dari rotor sehingga terdapat aliran fluks magnet yang mengalir pada kumparan tersebut atau arus listrik (A), sedangkan perbedaan jenis kutub magnet yang menginduksi kumparan stator dapat menyebabkan GGL induksi yang berubah-ubah pada ujung-ujung kumparan yang biasa kita sebut sebagai beda potensial atau tegangan (V).
Dalam perancangan Stator terdapat dua bagian, antara lain adalah
1. Rumah Stator 2. Kumparan Stator
Tabel 3.1 Spesifikasi Kumparan Stator
No Spesifikasi Nilai
1. Panjang Kawat Email 15 m 2. Diameter Kawat Email 0,8 mm
3. Banyak Lilitan 275
4. Jumlah Kumparan 32
Sumber : Author
Gambar 3.5 Kumparan Stator Sumber : Author
Bentuk dari stator secara keseluruhan dalam pembuatan dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 3.6 Stator Sumber : Author 3.2.2. Rotor Generator
Rotor adalah bagian dari generator yang berupa susunan dari beberapa magnet yang berbentuk lingkaran dengan kutub yang berbeda-beda pada masing-masing sisi rotor (N S N). Rotor generator terdiri dari beberapa bagian, antara lain adalah :
1. Rumah magnet
Rumah magnet berfungsi sebagai tempat dimana magnet ditempelkan melingkar dengan susunan kutub yang berbeda-beda pada masing-masing sisinya. Rumah magnet yang digunakan berbahan acrylic.
2. Magnet
Magnet pada rotor berfungsi sebagai penginduksi kumparan stator. Magnet yang digunakan dalam perancangan alat ini menggunakan magnet neodymium (NdFeB) grade N35.
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 6 3. Poros Mesin
Poros AS berfungsi sebagai dudukan rumah rotor yang digunakan untuk memutarkan rumah rotor. Poros AS terbuat dari besi dengan panjang 15 cm.
Bentuk dari rotor terdapat pada gambar dibawah ini :
Gambar 3.9 Rotor Sumber : Author 3.3. Motor DC
Motor DC digunakan untuk
menggerakan rotor generator pada kecepatan konstan, sehingga akan didapatkan tegangan yang konstan pula. Dalam memutar generator motor dibantu dengan pulley agar dapat menentukan rasio perbandingan putaran antara motor dan rotor generator. Jenis dari motor DC yang dipakai adalah motor DC yang menggunakan magnet permanen sebagai kutub. Motor DC yang digunakan dalam perancangan alat ini menggunakan motor DC berjenis penguatan sendiri seri.
Gambar 3.10 Motor DC Sumber : Author
3.4. Rangkaian Pengisian Baterai (rectifier)
Penyearahan digunakan untuk merubah tegangan AC pada perancangan generator magnet permanen 1 (satu) fasa menjadi tegangan DC. Penyearahan tegangan AC menjadi DC menggunakan 4 (empat) dioda penyearah, atau 1 (dioda) bridge dan 1 (satu) kapasitor pada bagian output. Berikut adalah gambar rangkaian penyearah :
Gambar 3.11 Penyearah Gelombang Penuh 1 Phasa
Sumber : Author
Kapasitor berfungsi sebagai filter, dan diharapkan pemasanganya dapat mengurangi ripel tegangan output dari penyearah.
4. PENGUJIAN DAN ANALISA PERANCANGAN ALAT
4.1. Perhitungan Output Alat
Analisa perhitungan output alat generator magnet permanen ini didasarkan pada spesifikasi perancangan generator magnet permanen. Perhitungan output alat menggunakan teori pembangkitan tegangan induksi. Berikut adalah spesifikasi perancangan generator :
Tabel 4.1 Data Spesifikasi Perancangan Generator
Parameter Lambang Nilai
Kerapatan Fluks Magnet Br 1170 mT Dimensi Magnet : a. Diameter Magnet b. Tinggi Magnet D 2,5 cm T 0,5 cm Jumlah Magnet Nm 16
Radius Dalam Magnet ri 4,75 cm
Radius Luar Magnet ro 7,25 cm
Jarak Antar Magnet τf 2,25 cm
Celah Udara δ 0.5 cm
Jumlah Kumparan Ns 32
Jumlah Fasa Nph 1
Jumlah Lilitan N 275
Sumber : Author
Nilai kerapatan fluks magnet (Bmax) :
Luasan Magnet (Amagn) sebagai berikut :
Fluks magnet maksimun yang dihasilkan (ϴmax) :
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 7 Apabila tegangan induksi yang
dihasilkan pada generator magnet permanen didesain untuk bekerja pada frekuensi 50 Hz, dengan jumlah kutub 16 pasang, maka diperoleh putaran sebagai berikut :
Tegangan induksi yang dihasilkan pada generator magnet permanen ini apabila dianalisa untuk bekerja pada frekuensi 50 Hz, dapat dihitung melalui persamaan di bawah ini :
Dari hasil analisa perhitungan tegangan induksi di atas kita ketahui bahwa generator magnet permanen ini pada putaran 187,5 rpm dan frekuensi 50 Hz dapat digunakan untuk mengisi accu.
Setelah dilakukan pengukuran tegangan output generator magnet permanen pada putaran 187,5 rpm dapat diketahui bahwa tegangan yang dibangkitkan adalah sebesar 23,45 V. Berikut adalah perbandingan antara tegangan output hasil pengukuran dan perhitungan dari generator magnet permanen rakitan :
Tabel 4.2 Tabel Perbedaan Hasil Perhitungan Dan Pengukuran Putaran (rpm) Tegangan Perhitungan (Volt) Tegangan Pengukuran (Volt) Persentase Perbedaan (%) 188 30 23,45 22 Sumber : Author
4.1.1. Uji Coba Generator
Pengujian dan pengukuran pada generator hanya dibatasi pada pada beberapa percobaan, diantaranya adalah :
4.1.2. Pengujian Generator Tanpa Beban Dalam pengujian generator tanpa beban perlatan yang digunakan adalah mesin bor dan motor DC agar putaran dapat bervariasi, berikut adalah perbandingan data hasil perhitungan dengan pengukuran dengan putaran bervariasi :
Tabel 4.3 Hasil Percobaan Dengan Mesin Bor
No Putaran (rpm) Tegangan Perhitungan (V) Tegangan Pengukuran (V) Persentase Perbedaan (%) 1. 100 16 12,46 22 2. 200 32 24,89 “ 3. 300 48 37,43 “ 4. 400 64 49,9 “ 5. 500 80 62,3 “ 6. 600 96 74,86 “ 7. 700 112 87,34 “ 8. 800 128 99,6 “ 9. 900 144 112,4 “ 10. 1000 160 124,5 “ 11. 1100 176 137,3 “ 12. 1200 192 149,73 “ 13. 1300 208 162,4 “ 14. 1400 224 174,5 “ 15. 1500 240 187,5 “ 16. 1600 256 199,78 “ 17. 1700 272 212,2 “ 18. 1800 288 224,7 “ 19. 1900 304 237,2 “ 20. 2000 320 249,8 22 Sumber : Author
Tabel 4.4 Hasil Percobaan dengan Motor DC
Putaran (rpm) Tegangan Perhitungan (Volt) Tegangan Pengukuran (Volt) Persentase Perbedaan (%) 188 30 23,45 22 Sumber : Author
Setelah dilakukan percobaan beberapa kali dengan bor pada putaran bervariasi mulai dari 100 sampai 2000 rpm generator hasil perancangan mampu mengeluarkan tegangan maksimal tanpa beban sebesar 250 V. Dari data hasil percobaan dapat diketahui hubungan antara putaran dengan output dari generator. Berikut adalah grafik pengaruh putaran terhadap tegangan output generator :
Gambar 4.5 Grafik Hubungan Tegangan dan Putaran
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 8 Sumber : Author
4.1.3. Pengujian Generator Berbeban Dalam pengujian generator berbeban dengan hubungan satu fasa. Beban yang diberikan yaitu beban resistif berupa 6 buah lampu pijar 25 Watt 220 Volt yang dipasang secara paralel. Dengan nilai putaran konstan di 2000 rpm disesuaikan dengan daya putar maksimal dari mesin bor. Berikut adalah data hasil percobaan :
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Dengan Beban
Sumber : Author
Dari percobaan di atas bisa diamati bahwa kapasitas beban penuh dari generator untuk mensuplai daya pada keadaan normal adalah sebesar 75 Watt.
Pada percobaan generator dengan beban lampu pijar yang dipasang paralel 150 Watt, intensitas cahaya lampu hampir redup, hal ini diakibatkan oleh tegangan output dari generator tidak bisa memenuhi kebutuhan standar dari lampu pijar, yaitu bekerja pada tegangan >220 Volt karena adanya jatuh tegangan.
Dalam percobaan generator berbeban dengan putaran konstan 2000 rpm yang diberi beban 5 lampu pijar 25 Watt dengan hubung paralel. Pada beban 150 Watt generator mampu mensuplai arus sebesar 0,82 A. Berikut adalah grafik hubungan antara tegangan, arus dan beban :
Gambar 4.6 Grafik Hubungan Beban dan Tegangan
Sumber : Author
Pada grafik hubungan beban dan tegangan dapat diamati bahwa semakin besar beban yang diberikan terhadap generator maka tegangan akan turun. Hal ini diakibatkan karena adanya tegangan jatuh pada generator yang disebabkan oleh adanya
impedansi dan rugi-rugi tegangan stator generator terhadap beban pada :
1. Resistansi jangkar ( ). 2. Reaktansi bocor jangkar ( . 3. Reaksi jangkar ( .
Besarnya impedansi pada stator tergantung dari besarnya beban yang terpasang pada stator generator.
Gambar 4.7 Grafik Hubungan Beban dan Arus
Sumber : Author
Sedangkan pada grafik hubungan beban dan arus dapat diamati bahwa semakin besar beban yang diberikan terhadap generator maka semakin besar pula arus yang dihasilkan oleh generator. Hal ini disebabkan oleh upaya generator untuk memenuhi kebutuhan arus dan tegangan terhadap beban generator. Sesuai dengan persamaan dari beban resistif berikut ini :
Melihat data teknis saat perancangan, generator tidak mampu mengeluarkan arus lebih dari 1,1 Ampere (Tabel 2.2 Kemampuan Hantar Arus Kawat Email), sekalipun diputar dengan kecepatan yang tinggi. Bila dipaksa bisa berakibat panas pada lilitan dan mengakibatkan kumparan terbakar. Setelah dilakukan percobaan berbeban beberapa kali daya maksimal generator ketika diputar konstan 2000 rpm, generator hasil perancangan mampu mengeluarkan daya sebesar 150 watt.
4.2. Menjaga Keseimbangan Tegangan Terhadap Beban
Dari hasil percobaan generator berbeban dapat kita ketahui bahwa semakin besar beban yang terpasang pada stator generator maka akan berbanding terbalik terhadap tegangan yang dihasilkan oleh generator atau adanya tegangan turun (drope voltage). Penurunan tegangan pada sumber listrik dapat berdampak buruk terhadap peralatan elektronik, ketidak seimbangan tegangan bisa menyebabkan peralatan elektronik menjadi cepat rusak. Pada perancangan generator magnet permanen, penurunan tegangan ketika
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 9 dibebani dapat dihindari dengan berbagai
cara, antara lain adalah :
1. Pengaturan Kecepatan Putaran Motor DC (prime mover)
2. Pemasangan Automatic Voltage Regulator (AVR)
4.2.1. Uji Coba Motor DC
Motor DC yang digunakan adalah jenis motor DC starter sepeda motor dengan dengan penguatan sendiri seri. Berikut adalah data spesifikasi dari motor DC :
Tabel 4.6 Data Spesifikasi Motor DC
No Spesifikasi Nilai
1. Putaran 2000 (rpm)
2. Arus 15 (A)
3. Tegangan 12 (V)
Sumber : Author
4.2.2. Analisa Pengisian dan Pemakaian Accumulator
Berdasarkan analisa generator berbeban, didapatkan kemampuan generator dalam menghantarkan arus adalah sebesar 0,8 A. Dengan kapasitas kemampuan accumulator adalah sebagai berikut :
Tabel 4.7 Kapasitas Accumulator No Spesifikasi Accumulator Nilai 1. Daya 60 Watt 2. Kapasitas Arus 5 Ah 3. Tegangan Output 12 V 4. Faktor Diefisiensi 20% Sumber : Author
Dari data yang kita dapatkan di atas bisa kita ketahui lamanya waktu accumulator dalam pengisian adalah sebagai berikut :
Sesuai dengan pemakaian accumulator dengan beban motor DC 15 A, 12 V bisa diketahui lama pemakaian accumulator adalah sebagai berikut :
Ketika pengisian dan pemakaian accumulator dilakukan secara bersamaan maka lama waktu pemakaian akan bertambah. Sehingga generator magnet permanen hasil perancangan dapat digunakan untuk menambah effisiensi pemakaian accumulator.
5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan
Berdasarkan hasil perancangan generator magnet permanen neodymium dengan prime mover motor DC dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Menurut perhitungan secara teoritis apabila generator magnet permanen neodymium didesain bekerja pada frekuensi 50 Hz pada putaran 190 rpm didapatkan tegangan sebesar 30 Volt, sedangkan pada pengukuran didapatkan hasil tegangan sebesar 23,45 Volt.
Generator magnet permanen
neodymium hasil perancangan mempunyai perbedaan pengukuran sebesar 22%.
2. Pada putaran 190 rpm generator magnet permanen neodymium sudah bisa digunakan untuk mengisi accumulator dengan tegangan sebesar 23,45 Volt dan arus sebesar 0,82 A.
3. Pada percobaan generator magnet permanen neodymium tanpa beban, generator dapat menghasilkan tegangan 249,8 Volt pada putaran maksimal mesin bor 2000 rpm.
4. Pada percobaan generator magnet permanen neodymium berbeban dapat dilihat bahwa tegangan berbanding terbalik dengan beban, sedangkan arus berbanding lurus dengan beban.
5. Kapasitas beban penuh dari generator magnet permanen neodymium untuk mensuplai beban pada keadaan normal adalah sebesar 75 Watt.
6. Generator magnet permanen neodymium hasil perancangan dapat mensuplai arus sebesar 0,8 A dengan tegangan 187 Volt pada beban lampu pijar 150 Watt (6 x 25 Watt) dengan intensitas cahaya hampir padam. 7. Generator dapat mengisi accumulator
kapasitas 5Ah dengan arus input sebesar 0,8 A dalam waktu 8 jam. Sedangkan lama waktu pemakaian tergantung dari arus beban yang terpasang pada accumulator.
8. Generator magnet permanen neodymium dapat digunakan untuk
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 10 menambah effisiensi lama waktu
pemakaian accumulator. 5.2 Saran
1. Pada pengembangan perancangan generator magnet permanen neodymium selanjutnya diharapkan untuk memperhatikan beberapa faktor, diantaranya adalah coil, susunan magnet permanen, putaran rotor dan celah udara.
2. Untuk mendapatkan tegangan yang stabil pada output generator magnet
permanen neodymium hasil
perancangan harus dipasang automatic voltage regulator (AVR).
3. Diperlukan energi potensial dari alam sebagai prime mover untuk memaksimalkan penggunaan generator magnet permanen neodymium.
DAFTAR PUSTAKA
[1] ..., 2003. Teknik Listrik. Departemen Pendidikan Nasional. Jakarta.
[2] Dimas, W. J., Sukamdi, T., dan Karnoto. 2011. Jurnal. Perancangan Generator Fluks Aksial Putaran Rendah Magnet Permanen Jenis Neodymium (NdFeB) Dengan Variasi Celah Udara. Universitas Diponegoro. Semarang. [3] Fahey, Steven. 2006. Basic Principle Of
The Homemade Axial Flux Alternator. [4] Nurhadi, Arif. 2011. Jurnal.
Perancangan Generator Putaran Rendah Magnet Permanen Jenis FE Fluks Aksial. Universitas Diponegoro. Semarang.
[5] Purnawan, B. S. 2012. Perancangan Pembangkit Listrik Sederhana Menggunakan Generator Mini Magnet Permanen. Universitas Pakuan. Bogor.
[6] Ramadhan, Fajar. 2012. Analisa Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro di Desa Karang Tengah. Universitas Pakuan. Bogor. [7] Siswoyo. 2008. Teknik Listrik Industri.
Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan. Jakarta.
[8] Suryatmo, F. 1992. Dasar-Dasar Teknik Listrik. PT. Rineka Cipta. Jakarta [9] Zein, Hermagasantos. 1996. Teknik
Tenaga Listrik. PT. Rosda Jaya Putra. Jakarta.
[10] ..., Generator Listrik Sederhana. http://tonytaufik.wordpress.com/Genera tor-listrik-sederhana/ (Februari, 2014). RIWAYAT PENULIS
1)
Mustofa, ST. Alumni (2014) Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Tekik – Universitas Pakuan.2) Prof. Dr. Ir. H. Didik Notosudjono,
M.Sc. Guru Besar Staf Dosen
Program
Studi
Teknik
Elektro
Fakultas Teknik Universitas Pakuan
Bogor.
3) Ir. Dede Suhendi, MT. Staf Dosen Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan Bogor.
