BAB II TINJAUAN PUSTAKA

6 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Turbin Angin

Turbin angin adalah alat untuk mengambil energi kinetik dari angin, dengan mengambil sebagian energi kinetik dari angin maka kecepatan angin akan menurun namun hanya sebagian massa angin yang melewati turbin.

Angin digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi angin menjadi putaran mekanis (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi listrik melalui sebuah generator.[20]

Turbin angin dapat di golongkan menjadi turbin angin sumbu vertikal (Vertical-Axis Wind Turbines) dan turbin angin sumbu horizontal (Horizontal Axis Wind Turbines) dan dibedakan berdasarkan kecepatan rotornya yaitu turbin angin kecepatan tetap (Fixed-Speed Wind Turbines) dan turbin angin kecepatan tidak tetap (Variable-Speed Wind Turbines).

Semua turbin angin dirancang dengan kontrol daya tertentu. Ada berbagai cara untuk mengendalikan gaya aerodinamis pada rotor turbin dan karena itu membatasi kekuatan angin kencang untuk menghindari kerusakan pada turbin angin.

2.2 Model Turbin

Pada penelitian Fredrikus M. Bere melalui metode eksperimen dilakukan untuk menguji rotor turbin dalam membangkitkan torsi dan daya dengan beberapa variasi sudut blade pada kondisi kecepatan angin tertentu.

Sebelum pengujian, maka terlebih dahulu dilakukan pembuatan alat uji yaitu turbin angin model Contra Rotating (dua rotor) dengan diameter masing- masing 0,50 m dan 0,30 m, dipersiapkan juga rangkaian wind tunnel sederhana beserta kipas angin sebagai sumber angin untuk memutar turbin dengan melakukan pengujian turbin angin poros horizontal model Contra Rotating.[21] Salah satu model turbin angin nya seperti berikut:

7 Gambar 2.1 Skema Pengujian Turbin Angin Contra Rotating

Berdasarkan hasil rancangan turbin angin poros horizontal model Contra Rotating data awal dalam pengujian ini adalah :

a. Diameter (Dk) dual rotor masing-masing 50 cm atau 0,50 m dan 30 cm atau 0,30 m

b. Kecepatan angin (V) 4,03 m/s, 5,05 m/s, dan 6,08 m/s c. Variasi sudut blade (β) 0º, 5º, dan 10º

d. Jari-jari (R) 25 cm atau 0,25 m

e. Jari-jari poros (r) 0,17 cm atau 0,017 m

Daya angin dapat di hitung dengan menggunakan rumus : Pi = ¹

2 𝜌. 𝐴. 𝑉³ (2.4)

Torsi diperoleh dengan menggunakan sistem pengeremam yaitu dengan menggantungkan beban pada puli yang berputar. Untuk persamaanya adalah sebagai berikut:

T = F. r (2.5)

Daya Daya turbin merupakan output dari turbin angin.

𝑃

_𝑚

= 𝑇. 𝜔 𝜔 = 2𝜇 .

^𝑛

60

(2.6)

8 Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dibangkitkan oleh turbin angin dengan daya angin.

𝐶_𝑝 = 𝑃_𝑜/𝑃_𝑖 (2.7)

Koefisien torsi:

𝐶𝑞 =1 ^𝑇

2𝜌 . 𝑉². 𝐴 . 𝑅 (2.8)

Ratio kecepatan ujung blade : 𝜆 = 𝜔.^𝑅

𝑉 (2.9)

2.2.1 Kinerja Turbin Angin Terhadap Daya Maksimum dan Efisiensi Dalam pengujian ini, daya turbin angin didapat dari hasil kali antara torsi dan kecepatan sudut sehingga besarnya pembebanan dan putaran poros turbin mempengaruhi daya yang dihasilkan turbin angin.

Turbin yang diam tidak menghasilkan daya sama sekali demikian pula bila turbin angin tersebut berputar sangat cepat. Diantara kedua harga tersebut terdapat putaran maksimum dimana terjadi daya maksimum dari sebuah turbin angin.

Hubungan kinerja turbin angin terhadap daya maksimum

Gambar 2.2 Grafik Hubungan Putaran poros terhadap daya untuk kecepatan angin 4.03 m/s

9 Gambar 2.3 Grafik hubungan putaran poros terhadap daya

untuk kecepatan angin 5,05 m/s

Berdasarkan Gambar 2.2 sampai 2.3, daya maksimum turbin angin diperoleh pada putaran poros optimum dari setiap kecepatan angin dan besar sudut. Sehingga grafik yang terbentuk merupakan hubungan polinomial antara daya dan putaran poros turbin angin.

Gambar 2.2 sampai 2.3 untuk setiap perubahan sudut blade juga menunjukkan bahwa setiap penambahan besar sudut blade dan kenaikan kecepatan angin maka daya yang dihasilkan juga semakin besar, untuk sudut blade 00 daya maksimum yang dihasilkan sebesar 5,509 watt pada putaran poros 580 rpm, sedangkan untuk sudut blade 50 daya maksimum yang dihasilkan 5,822 watt pada putaran poros 675 rpm, sedangkan daya maksimum terbesar terjadi pada sudut blade 100 dengan kecepatan angin 6,08 m/s menghasilkan daya sebesar 8,217 watt pada putaran poros 865 rpm.

2.3 Generator

Generator adalah pengubah energi dari struktur mekanik menjadi energi listrik melalui interaksi elektromagnetik [6] yang terdiri dari dua bagian prinsip, yaitu anchor coil dan field coil yang dipasang pada stator

10 (bagian tetap) dan rotor (bagian berputar dari mesin). Generator berlandaskan [7] Hukum Faraday, khususnya dengan asumsi ada loop dan, ada magnet yang dipindahkan atau sebaliknya, akan ada transisi yang menarik mengalir di curl yang dibawa oleh ggl induksi. Sedangkan aliran arus yang melewati pada kumparan diketahui sebagai aliran fluks pada magnet., dan beda potensial atu tegangan yang berubah-ubah pada ujung lilitan disebut GGL induksi. Arus listrik yang seimbang dengan kecepatan fluks magnet pada kumparan di sebut Gaya gerak listrik. [8] Berdasarkan (persamaan 9)

𝐸𝑖 = −𝑁 ×^∆𝜃

∆𝑡 (2.10)

Di Definisikan:

Ei = Induksi

N = Lilitan (weber)

∆𝜃 = Fluks magnetic (Wb)

∆𝑡 = Perubahan waktu (secon)

Gambar 2.5 memperlihatkan timbulnya gaya gerak listrik akibat perubahan medan magnet.[9]

a) Galvanometer b) Solenoid

Gambar 2.4 Timbulnya GGL akibat perubahan medan magnet [15]

Gambar tersebut menunjukkan bahwa arus yang digerakkan muncul selama penyesuaian garis-garis gaya medan solenoid. Hal ini dapat ditunjukkan dari jarum galvanometer yang mana magnet batang didorong menuju atau menjauh dari loop dan sebaliknya. Namun, jika keduanya tetap atau tidak bergerak maka jarum galvanometer tidak menyimpang yang mana tidak ada arus yang muncul. Jadi arus inisiasi cenderung dianggap sebagai akibat dari kemungkinan kontras antara penutupan loop yang dikenal sebagai

11 Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL Induksi). Jika terdapat gulungan medan yang berguna untuk menciptakan medan yang menarik maka generator akan bekerja.

Loop jangkar berfungsi sebagai pendorong utama GGL pada konduktor yang terletak di alur jangkar dan lubang udara yang. Hal yang mendorong kumparan agar dapat menghasilkan GGL induksi yang di lingkupi oleh loop penghantar pada ujung kumparan yaitu fluks magnetic. [16] Apabila ujung penghantar atau kumparan sebanding dengan laju perubahan GGL induksi maka bisa di jelaskan pada persamaan 10 berkut ini [10]:

Φ_𝐵= 𝐵 ⊥ 𝐴 = 𝐵𝐴 cos 𝜃 (2.11)

Dengan :

Φ_𝐵 = Fluks magnetic (Weber) B = Induksi magneik (Tesla) A = Luas bidang (m²)

B ⊥ adalah segmen medan magnet B yang tegak lurus terhadap permukaan kumparan dan 𝜃 adalah sudut antara B dengan garis yang tegak lurus kumparan. Besaran – besaran ini ditunjukkan pada gambar 2.2 dengan kumparan bujur sangkar berisi 𝜄 seluas A = 𝜄₂. Jika permukaan kumparan 34 sejajar B, 𝜃 = 90° dan Φ_𝐵 = 0. Apabila B tegak lurus terhadap kumparan, maka 𝜃 = 0° dan Φ_𝐵= BA

Gambar 2.5 Menentukan fluks pada loop kawat berbentuk bujur sangkar dengan luas A [11]

12 Gambar 2.6 menjelaskan bahwa jika transisi melalui kawat dengan N berubah ∆ΦB selama ∆t maka nilai GGL adalah sebagai berikut. (Persamaan 12)

∈= −𝑁^∆ΦB

∆t (2.12)

Menurut persamaan tanda minus [12], berdasarkan hukum Lenz, GGL induksi selalu menghasilkan arus dan medan magnetnya berlawanan dengan perubahan arus. Pada titik ketika medan tarik B dianggap berlawanan dengan permukaan yang dibatasi oleh konduktor yang berbentuk ∪ dan dikoneksikan ke batang konduktor bergerak lainnya. Jika konduktor digerakkan dengan kecepatan 𝑣 maka ia menempuh jarak ∆𝑥 = 𝑣∆𝑡 dalam waktu ∆𝑡. Dengan demikian, luasan kumparan bertambah ∆𝐴 = 𝑙 ∆𝑥 = 𝑙𝑣 ∆𝑡.

2.4 Motor DC

Motor DC atau Direct current) merupakan jenis motor yang menerapkan tegangan satu arah sebagai sumber voltasenya. Adanya perbedaan tegangan yang diberikan pada kedua terminal menyebabkan mesin berputar searah dan jika ujung tegangan dibalik, arah putaran akan terbalik pula. Arah poros mesin dikendalikan oleh ekstremitas tegangan yang diberikan oleh dua terminal, sedangkan ukuran perbedaan tegangan antara dua terminal menentukan kecepatan mesin.[2]

Substitusi turbin pada sistem uji gaya listrik menggunakan mesin DC 24 Volt 11,5 Ampere dengan kecepatan 1750 RPM. Motor DC yang digunakan sebagai pengganti turbin dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikut.

Gambar 2.6 Motor DC

13 2.4.1 Bagian Motor DC

Motor DC mempunyai 2 bagian utama yang dapat berputar, yaitu kutub medan dan rotor (Gambar 2.4).

Gambar 2.7 Motor DC dan bagian-bagiannya.

1) Kutub medan

Pada Motor DC tersebut dijelaskan bahwa motor dc tersebut terdiri dari kutub medan tetap dan dinamo yang menggerakkan bantalan pada ruang antar kutub medan, sehingga dua kutub yang bekerja bersama saling tarik menarik dan menyebabkan putaran.

2) Rotor

Jika arus juga berputar di rongga rotor (bagian mesin bergerak), maka arus diubah menjadi elektromagnet dan jika dihubungkan dengan paket penggerak, beban akan dipindahkan.

Dalam mesin DC kecil, rotor berputar dalam medan yang menarik dalam sebuah kutub utara dan kutub selatan pada zona switching magnetic. Pada hal ini maka arus akan langsung berbalik dan langsung merubah kedua kutub dinamo. [13]

2.4.2 Prinsip Dasar dari Kerja Motor DC

Arus mengalir dari sumber tegangan DC melalui kumparan pada jangkar, menyebabkan jangkar bergerak seperti sebuah magnet.

Pada gambar 2.5 dijelaskan bahwa gambar tersebut menunjukkan garis arus DC dari magnet permanen.

14 a. Jika arus elektron mengalir dari negatif ke positif, torsi ditampilkan di posisi pertama dan mengakibatkan putaran berlawanan arah jarum jam.

b. Jika jangkar berada di posisi kedua, tidak ada torsi karena arus di jangkar terputus. Tetapi adanya kelembaban yang muncul menyebabkan jangkar berotasi melewati netral point yang dalam hal ini sikat terkoneksi melalui dua bagian komutator.

c. Segmen komutator ikut lokasi ketiga membalik perintah arus elektron yang mengalir pada kumparan jangkar. Letak sisi jangkar dengan sisi jangkar posisi 1 saling terbalik. Dengan demikian, pada kumparan jangkar, arah arus sama besarnya dengan posisi 1. Kemudian, torsi akan muncul dan menyebabkan jangkar tetap berputar counter clock wise.

d. Jangkar berputar terus-menerus karena eksistensi kelembapan di poros jangkar sehingga menyebabkan jangkar berada pada titik netral. [17]

Gambar 2.8 Prinsip kerja motor DC

15 2.5 Myrio

Myrio merukapan hardware yang dapat mengontrol kapasitas untuk membuat kerangka kerja yang berbeda. Myrio menerapkan prosesor ARM dan merupakan prosesor FPGA dengan kecanggihan yang ada sehingga kerangka kerja menjadi lebih rumit. Pemrograman Labview digunakan sebagai gagasan dalam myrio karena sangat baik digunakan untuk membuat aplikasi yang akan mengoperasikan fungsi-fungsi tersebut.

Myrio juga dapat terkoneksi dengan IC untuk membuat kerangka kerja yang lebih rumit atau pada board lain untuk menghasilkan sistem. Wifi, Bluetooth, accelerometer, RAM, LED, push button, dan analog input dan output merupakan perangkat umum yang dapat diaplikasikan pada sistem tersebut.

Gambar 2.9 Produk Myrio produk dari Instrumen nasional

Gambar 2.10 Myrio Connector A dan B input/output pin

16 2.6 Labview

Labview (Laboratory virtual instrumentation engineering workbench) merupakan pemrograman PC untuk penanganan informasi di bidang perolehan informasi seperti halnya kontrol instrumentasi dan mekanisasi modern. Labview menggunakan grafis atau gambar sebagai fungsi dari Visual Programming Language atau Grapichal Programming Language dan bahasa pemrograman yang dapat menafsirkan data dengan sebuah grafis sebagai suatu fungsi. Pada program labview yang menyerupai multimeter dan osciloskop, terdapat beberapa tampilan dan operasi sehingga Labview dapat diartikan juga sebagai instrument (VI). Dari user interface atau sumber lainnya, setiap VI banyak menggunakan banyak fungsi yang memanipulasi tampilan dan menampilkan informasi atau mentransfer data ke file atau computer lainnya.

Labview mempunyai tiga bagian antara antara lain:

a. Panel depan adalah desain antar muka sebagai input dan output. Numeric control adalah contoh dari panel depan yang mana yaitu sebuah kendala yang dapat memberi angka atau tampilan gambar sebagai input.

b. Diagram blok adalah interface design yang berisi grafis fungsi-fungsi perkiraan matematis yang digunakan dalam program labview dan akan disambungkan untuk membuat persamaan atau value yang diinginkan.

c. Control and function palettes pada function dan control palettes terdapat semua grafis fungsi yang dimiliki oleh Labview dan dapat diterapkan pada diagram blok atau panel depan.

Gambar 2.11 Control and function palettes [14]

17 2.7 DC drive

DC Drive adalah komponen utama untuk mengontrol kecepatan dan kekuatan motor dc secara presisi, system control untuk motor dc harus dapat melaksanakan tugas tersebut dengan cara menyesuaikan parameter-parameter yang dibutuhkan oleh motor dc. [18] Di driver motor DC ini arus yang dikeluarkan max 43A, dengan memiliki fungsi PWM. Tegangan sumber DC yang diberikan antara 5.5V 27VDC, driver motor ini rangkaian yang digunakan adalah rangkaian full H-Bridge dengan IC BTS7960 dengan perlindungan ketika terjadi panas pada arus yang berlebihan.

Gambar 2.12 BTS7960 Driver 43A H-Bridge Drive PWM 2.8 Sensor Proximity

Sensor proximity adalah sensor atau saklar yang dapat mengarahkan target ragam logam tanpa kontak fisik. Biasanya, sensor ini tediri dari perangkat elektronik padat yang digulung erat untuk mencegah masukkanya cairan, getaran, cairan kimiawi berlebih yang merusak tidak masuk. Sensor proximity diaplikasikan pada kondisi sensoris objek yang dianggap sangat lunak dan kecil untuk memobilisasikan suatu mekanis saklar. Sensor jarak sudah merupakan satu set yang terdiri dari beberapa komponen yang harus diintegrasikan ke dalam sensor jarak saat sistem sedang beroperasi.

Dibandingkan dengan sensor solar berupa LDR, sensor proksimitas merupakan sebuah rangkaian elektronik yang berdiri sendiri (stand alone).

[19]

18 Gambar 2.13 Sensor Proximity

2.9 Power supply

Switching Power Supply Trafo Adaptor AC 110V 220V to DC 12V , digunakan untuk mensupply tegangan ke motor dc, sehingga motor dapat berputar.

Spesifikasi

Input : 110V-220VAC

Product weight : 620gr

Output : 10.2V-14.2VDC

Dimension : 19.8x10.9x5cm

RatedPower : 240W

Maxoutput : 20A

Dimension : 19.8x10.9x5cm

Gambar 2.14 Power Switching Supply Trafo Adaptor

19 2.10 Kontrol PID

Menurut Muhammad Sulaiman (2016) System control mempunyai beberapa macam aksi control dengan keunggulannya masing-masing, diantaranya yaitu aksi control integral untuk meminimalisir kesalahan, aksi kontrol proporsional yang memiliki rise time yang cepat, dan aksi kontrol turunan (untuk memperkecil kekeliruan atau meredam undershoot/overshoot). Melalui teknik Ziegler-Nichols, PID dapat dihitung dengan 2 metode. Pertama langkah input diberikan ke system, dan hasilnya harus memiliki respon langkah dalam bentuk kurva S, dan kedua, sistem dapat memiliki respon langkah yang terisolasi secara kontinu.

Tabel 2.1 Pengaruh PID pada waktu naik, overshoot, waktu turun dan kesalahan keadaan tunak

Tanggapan Loop Tertutup

Waktu

naik Overshoot Waktu turun

Kesalahan keadaan

tunak Proportional

(Kp) Menurun Meningkat Perubahan

Kecil Menurun Integral (Ki) Menurun Meningkat Meningkat Hilang Derivative (Kd) Perubahan

Kecil Menurun Menurun Perubahan Kecil

2.11 Kontrol Proporsional

Amplifikasi sinyal error dapat dilakukan dengan kontrol proporsional sehingga mengakselerasikan output hingga mencapai reference point. Pada persamaan 2.6 ada hubungan antara masukan pengontrol u(t) dengan signal error e(t) dengan Kp (Konstanta proporsional). Unit kendali proporsional di tunjukkan pada gambar 2.7.

U(t) = Kp e(t) (2.13)

Gambar 2.15 Diagram Blok Proporsional

20 2.11.1 Kontrol Integral

Prinsip kendali integral bertujuan untuk meminimalkan kesalahan offset atau kondisi stabil di bawah kendali proporsional.

Dalam persamaan 2.7 dan gambar 2.16 yang menunjukkan diagram blok yang didapatkan melalui hubungan antara output integral u(t) dengan sinyal error e(t).

𝒖(𝒕) = 𝑲_𝒊∫ 𝒆(𝒕)𝒅𝒕 _𝟎^𝒕 (2.14)

Gambar 2.16 Diagram Blok Integral 2.11.2 Kontrol Derivatif (Turunan)

Pengendali kecepatan karena laju perubahan sinyal kesalahan (error) sebanding dengan unit kontrol output dapat dikenal sebagai Kontrol Derivatif. Pada persamaan 2.8 dijelaskan bahwa hubungan antara output derivatif senilai 25u sedangkan pada gambar 2.7 dijelaskan bahwa gambar tersebut adalah penampil diagram blok.

𝒖(𝒕) = 𝑲_𝒅^{𝒅𝒆(𝒕)}

𝒅𝒕 (2.15)

Gambar 2.17 Blok Diagram Kontrol Derivatif 2.11.3 Persamaan PID

Pada persamaan 2.9 dapat dinyatakan sebagai persamaan PID yang sebagaimana dijelaskan adalah sebuah gabungan dari 3 kontroler diatas yaitu Proporsional, Integral dan Derivatif.

𝒖(𝒕) = 𝑲_𝒑 ( 𝒆(𝒕) + ^𝟏

𝑻𝒊 ∫ 𝒆(𝒕)𝒅𝒕 + 𝑻𝒅+ 𝑻_𝒅^{𝒅𝒆(𝒆)}

𝒅𝒕 )

𝒕

𝟎 (2.16)

21 Dengan :

u(t) = sinyal output pengendali PID Kp = Konstanta Proporsional Ti = waktu integral

Td = Waktu derivatif

Ki = Konstanta Integral (Kp/Ti) Kd = Konstanta derivatif (Kp.Td)

e(t) = Sinyal error = referensi – keluaran plant = set point – nilai sensor

2.12 Metode Ziegler-Nichols

Ada dua cara untuk melakukan metode ini yaitu kurva osilasi dan reaksi. Kedua metode tersebut menunjukkan respon sistem dengan maksimal sebesar 25%. Pada tahun 1942, Ziegler-Nichols mengintroduksi metode temuannya pertama kali (Gambar 2.18).

Gambar 2.18 Kurva respon dengan puncak tertinggi 25%

Berdasarkan perolehan kedua konstanta itu dihasilkan penalaran parameter PID. Ziegler Nichols membuat percobaan dan menyarankan pengaturan ukuran untuk menentukan nilai Kp, Ki dan Td berdasarkan kedua ukuran tersebut. Menurut metode kurva reaksi rumusan penalaran ada pada tabel 2.2.

Tabel 2.2 Parameter PID dengan metode kurva reaksi Tipe Kontroler Kp Ki Td

P T/L ~ 0

PI 0.9 T/L L/0.3 0 PID 1.2 T/L 2L 0.5L

22