Perancangan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial
Putaran Rendah
F. Danang Wijaya
1, Yusuf Susilo W
2, Ryan Adi Nugroho
21
Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
2
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM Email: [email protected]
Abstract
This research was conducted to resolve the problem electric energy crisis by developing a small-size generators using permanent magnets neodymium ferrite boron (NdFeB), which can be used as device to utilized renewable energy. Three phase axial flux permanent magnet generator (AFPMG) was designed which has low speed, with double rotor and single stator. This generator is deemed most appropriate because in addition to only requiring low speed, but also a relatively low manufacturing cost, lightweight construction, and a more compact form which can support better utilization of renewablwe energy such as microhydro or wind. The test results obtained by that generator capable of generating electricity 50 Hz at 250 rpm and generates voltage of each phase R, S, and T, respectively is 18,25; 18,15; and 18,66 volt at no load condition and by varying the frequency value at 20 Hz to 75 Hz, generating phase voltage is 7,35 volt up to 28,06 volt. When the resistive load testing, the generator is able to generate the power is 28,99 watt at 50 Hz. By varying the frequency from 30 Hz to 70 Hz, acquired the power is 3,16 watt up to 57,29 watt.
Keywords : renewable energy, generator, permanent magnet, axial flux, NdFeB
1. Pendahuluan
Penggunaan energi alternatif dan energi terbarukan semakin marak untuk dikembangkan. Hal ini disebabkan karena menipisnya cadangan minyak bumi dan bahan bakar fosil lainnya akibat pemakaian secara terus-menerus. Penggunaan bahan bakar fosil juga mengakibatkan pencemaran lingkungan sehingga kebijakan energi global menuntut penggunaan energi yang lebih ramah lingkungan.
Permasalahan ini juga berpengaruh pada energi listrikm sehingga diperlukan energi terbarukan sebagai penghasil energi listrik. Pemanfaatan energi matahari, angin dan air sudah banyak dilakukan baik dalam skala kecil maupun besar. Salah satu yang sedang populer adalah pemanfaatan tenaga air dan angin. Banyak orang membuat kincir angin dan kincir air untuk dikonversi menjadi energi listrik. Kedua jenis kincir ini pastilah membutuhkan generator untuk merubah energi mekanis menjadi energi listrik.
Umumnya generator yang banyak tersedia di pasaran berupa generator konvensional kecepatan tinggi. Pada generator jenis ini membutuhkan putaran tinggi yaitu 1500 rpm atau 3000 rpm dengan energy listrik awal (eksitasi). Sedangkan pada penggunaan kincir angin/air dibutuhkan generator yang mempunyai kecepatan rendah dan tanpa energi listrik awal [1]-[4], karena biasanya ditempatkan di daerah-daerah terpencil yang tidak memiliki aliran listrik.
Generator magnet permanen lebih efisien dibanding mesin yang menggunakan lilitan. Selain itu rotornya lebih mudah dibuat dengan jumlah kutub banyak yang diperlukan untuk mendapatkan kecepatan rendah.
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan generator magnet permanen fluks aksial putaran rendah dan akan diuji dalam skala laboratorium sehingga dapat diketahui karakteristiknya, dan mengetahui apakah mesin ini memang cocok dan mampu jika nantinya diaplikasikan dalam berbagai kebutuhan pembangkit putaran rendah. Pengujian yang dilakukan menyangkut pengujian tanpa beban dan pengujian berbeban. Beban menggunakan beban resistif yang nilainya divariasikan.
2. Landasan Teori
Generator listrik merupakan mesin berputar yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Generator terdiri dari dua bagian utama yaitu bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor).
Hubungan frekuensi dengan kecepatan putar generator dapat dirumuskan pada persamaan (1) sebagai berikut: 120 .p n f (1) dengan,
f = frekuensi listrik yang dihasilkan, Hz. p = jumlah kutub generator.
Tegangan rms yang dibangkitkan generator adalah: max max
2
2
2
s rms phE
N
E
N f
N
(2)
max
A
mag
B
max (3)dengan,
N = jumlah lilitan per koil f = frekuensi elektris (Hz) Ns = jumlah koil
Nph = jumlah fase (1 atau 3 fase)
Φmax = fluks maksimum (Wb)
Amag = luasan magnet (m2)
Bmax = densitas fluks maksimum (T)
2.1 Rangkaian Ekuivalen
Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada
kumparan jangkar generator. Tegangan ini biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang mengalir pada mesin.
Gambar 1. Rangkaian ekivalen generator Hubungan yang terjadi antara tegangan terminal dengan tegangan Ea adalah:
.
a.
LEa V
I R
jI X
...(4) dengan:
Ea = tegangan keluaran tanpa beban
V = tegangan terminal Ra = resistansi jangkar
XL = reaktansi induktif
Sehingga saat tanpa beban, besarnya I=0, dan Ea=V.
2.2 Generator Magnet Permanen
Pada dasarnya generator magnet permanen dibedakan menjadi 2, yakni generator magnet permanen fluks radial (GMPFR) dan generator magnet permanen fluks aksial (GMPFA).
Untuk generator tipe radial, arah fluks magnetnya tegak lurus dengan poros, sedangkan untuk tipe aksial, arah fluks magnetnya sejajar dengan poros.
3. Metode Penelitian
Pada penelitian ini merancang generator magnet permanen fluks aksial putaran rendah dengan rotor ganda dan stator tunggal. Hasil perancangan berupa purwarupa akan diuji tanpa beban dan berbeban untuk mengetahui karakteristik generator tersebut.
Peralatan uji yang dipakai adalah penggerak mula berupa motor induksi yang dikendalikan dengan inverter untuk mengatur kecepatan putar. Rangkaian pengujian motor penggerak dan purwarupa generator ditunjukkan pada Gambar 7. 3.1 Perancangan Alat
3.1.1 Magnet Permanen
Magnet permanen digunakan untuk menghasilkan fluks magnet. Magnet permanen yang digunakan adalah magnet disc berjenis neodymium-ferrite-boron (NdFeB).
Gambar 3. Magnet permanen NdFeB tipe disc Magnet NdFeB yang digunakan berdimensi sebagai berikut :
d = 25 mm lm = 5 mm
Sehingga untuk menghitung nilai kerapatan fluks maksimum dapat menggunakan persamaan berikut: max r lm B B lm …………..…….(5) dengan, Br = remanensi magnet (T) lm = tebal magnet (m)
δ = jarak celah udara (m) [6] 3.1.2 Rotor GMPFA
Rotor adalah bagian yang berputar dari mesin listrik, Pada penelitian ini rotor terbuat dari akrilik berbentuk cakram yang didalamnya terdapat magnet. Ea
Dengan bentuk rotor seperti ini, memungkinkan untuk mendesain generator dengan jumlah kutub tertentu.
Pada rotor GMPFA ini, menggunakan magnet permanen sebanyak (Nm) 24 buah untuk setiap
rotornya. Dengan jarak antar magnetnya (τf) sejauh
20 mm dan ukuran yoke berdiameter Din =0,323224
meter dan Dout = 0,424 meter.
Gambar 4. Desain rotor GMPFA
Untuk mengetahui luasan magnet digunakan persamaan berikut: 2 2
(
o i)
f(
o i)
magr
r
r
r
Nm
A
Nm
……….(6) dengan,Amagn = luasan magnet (m2)
o
r
= radius luar magnet (m) ir
= radius dalam magnet (m) f
= jarak antar magnet (m) Nm = jumlah magnet [6]Gambar 5. Purwarupa rotor GMPFA 3.1.3 Stator GMPFA
Stator merupakan bagian yang diam dari mesin. Pada penelitian ini, bahan penampang stator juga menggunakan bahan akrilik. Stator merupakan tempat keluarnya tegangan. Stator terdiri dari beberapa koil atau kumparan dari kawat tembaga. Jumlah kumparan menentukan tegangan yang bisa dikeluarkan oleh generator tersebut. Kumparan terdiri dari 36 koil dan tiap koil terdiri dari 110 lilitan Pada penelitian ini dirancang generator 3 fase.
Gambar 7. Rangkaian pengujian motor induksi dan purwarupa generator
3.2 Pengujian
Pada penelitian ini, akan diuji generator magnet permanen fluks aksial dalam berbagai nilai jenis beban. Beban yang akan diuji berupa beban resistif. Jenis pengujiannya pun berupa pengujian tanpa beban, pengujian berbeban resisitif dan pengujian berbeban resistif dengan frekuensi konstan. Sebelum dilakukan pengujian akan ditentukan dulu berbagai spesifikasi dari generator ini, yakni mesin bekerja pada putaran 250 rpm, 50 Hz.
3.2.1 Pengujian Tanpa Beban
Dalam pengujiannya tidak ada beban terpasang, sehingga pengujian ini hanya untuk melihat perubahan tegangan generator terhadap perubahan putaran generator/frekuensi listriknya. Pada pengujian ini, frekuensi listriknya diubah-ubah hingga terdapat perubahan tegangan. Data yang ada kemudian dicatat dan ditampilkan dalam bentuk grafik.
3.2.2 Pengujian Berbeban
Pada pengujian ini dimaksudkan untuk melihat berbagai watak/karakteristik dari generator ini saat berbeban. Dengan variasi beban resistif diharapkan didapat karakteristik yang mendekati empiris. Pengujian berbeban sendiri masih dibedakan menjadi dua, yakni pengujian berbeban resistif dan pengujian berbeban resistif saat frekuensi konstan.
Untuk beban R digunakan variable resistance yang dapat diubah-ubah nilai tahanannya sehingga arus yang masuk juga berubah-ubah. Perubahan arus/beban ini nantinya akan mempengaruhi parameter-parameter yang lain, sehingga dengan perubahan parameter-parameter lain yang kemudian dicatat dan ditampilkan dalam grafik akan diketahui karakteristik dari generator ini.
3.3 Perhitungan Drop Tegangan
Maksud dari perhitungan drop tegangan ini adalah menghitung besar drop tegangan pada pengaruh pembebanan. Parameter yang diukur pada
generator adalah nilai Ra dan nilai L. Kemudian
nilai drop dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut [5]:
2
LX
fL
………...….……...(7)[
(
)]
.
Drop a L sV
I R
j X
I Z
…...……..…..(8)4. Hasil dan Pembahasan
Dari pengujian yang dilakukan didapatkan data-data hasil percobaan. Data-data-data itu kemudian diolah dalam bentuk grafik. Grafik itu merupakan grafik karakteristik generator.
4.1 Pengujian Tanpa Beban
Pada pengujian ini akan ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik hasil dari pengujian generator saat generator tanpa beban. Tabel 1 menunjukkan hubungan frekuensi dan tegangan tiap fase generator.
Tabel 1 Frekuensi dan Tegangan Tiap Fase
Frekuens i (Hz) Tegangan (V) R-N S-N T-N 75,08 27,33 27,25 28,06 70,34 25,61 25,41 26,06 65,1 23,93 23,8 23,49 60,38 22,11 22,01 22,64 55,28 20,13 19,98 20,53 50,06 18,25 18,15 18,66 45,14 16,47 16,4 16,87 40,16 14,61 14,58 14,91 35,02 12,62 12,57 12,89 30 10,71 10,66 10,95 24,56 8,87 8,83 9,07 20,69 7,42 7,35 7,54
Dari pengujian tanpa beban tersebut didapatkan grafik sebagai berikut:
Gambar 8. Hubungan Frekuensi dan tegangan pada pengujian tanpa beban.
Dari Gambar 8 terjadi linearitas antara besarnya frekuensi dengan tegangan keluaran sebagaimana teori bahwa besarnya tegangan adalah sebanding dengan frekuensi. Hal ini sudah sesuai teori, dalam grafik juga terjadi hubungan yang linear.
Berikut merupakan gambar gelombang untuk fase R pada frekuensi 50 Hz.
Gambar 9. Bentuk gelombang tegangan keluaran generator pada frekuensi 50 Hz.
Pada Gambar 9 terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan keluaran generator tidak sinusoidal sempurna. Hal ini dikarenakan bentuk koil dari generator [6].
4.2 Pengujian Berbeban Resistif
Pada pengujian ini beban divariasi,dari nilai beban resistifnya. Dari nilai beban tersebut, didapat grafik hubungan arus dan tegangan sebagai berikut:
Gambar 10. Arus-tegangan pada pengujian beban resistif,
Dari Gambar. 10 terlihat bahwa penurunan tegangan sangat signifikan karena pada pengujian ini frekuensi tidak dijaga konstan. Sehingga semakin beban bertambah, maka putaran akan semakin melambat. Melambatnya putaran akan mempengaruhi nilai tegangan keluaran.
4.3 Pengujian berbeban resistif dengan frekuensi konstan
Pada pengujian ini hampir sama dengan pengujian sebelumnya hanya saja pada pengujian ini frekuensi generator dibuat konstan dengan cara menjaga konstan kecepatan putar penggerak utama.
Dari pengujian ini dapat dibuat grafiknya sebagai berikut:
Gambar 11. Arus-tegangan beban R frekuensi konstan 50 Hz
Pada Gambar. 11 terlihat bahwa penurunan nilai tegangan tidak terlalu signifikan karena pada pengujian ini frekuensi dijaga konstan.
4.4 Perhitungan Drop Tegangan
Perhitungan drop tegangan dilakukan untuk mengetahui pengaruh pembebanan terhadap nilai tegangan keluaran generator. Hasil perhitungan dapat dilihat pada gambar grafik berikut:
Gambar 12. Hubungan besar drop tegangan terhadap arus beban resistif frekuensi konstan 50 Hz
Dari Gambar. 12 terlihat semakin besar beban (direpresentasikan oleh arus), maka drop tegangan semakin besar.
5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian ini dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
1. Perancangan generator sinkron magnet permanen fluks aksial putaran rendah 3 fase telah berhasil diwujudkan
2. Tegangan Eo yang dihasilkan oleh generator
saat tanpa beban tiap fasenya yaitu 18,25; 18,15; dan 18,66 volt pada frekuensi 50 Hz dan 27,33; 27,25; dan 28,06 volt pada frekuensi 75 Hz.
3. Pada pengujian berbeban resistif, semakin bertambahnya beban maka tegangan generator semakin menurun. Tetapi saat frekuensi dijaga konstan, penurunan tegangan tidak terlalu signifikan
4. Pada pengujian berbeban resistif dengan frekuensi konstan, total daya yang dihasilkan generator pada frekuensi 50 Hz yaitu sebesar 28,99 watt. Sedangkan pada frekuensi 70 Hz, total daya yang dihasilkan generator sebesar 57,29 watt.
5.2 Saran
Berdasarkan hasil penelitian purwarupa generator magnet permanen aksial putaran rendah maka dapat dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai konstruksi belitan sehingga tegangan keluaran menjadi sinus dan peningkatan kinerja
generator dengan kompensator reaktif untuk mengatasi drop tegangan.
Daftar Pustaka
[1] Bumby, J. R., Stannard, N., Dominy, J., McLeod, N. A Permanent Magnet Generator for Small Scale Wind and Water Turbines.
[2] Chan, T.F., Lai, L.L. An Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator for a Direct-Coupled Wind-Turbine System.
[3] Spring (2010). Axial-Flux Wind Turbine for Rural Alaska. UAF Wind Team.
[4] Kobayashi, Hideki., Doi, Yuhito., Miyata, Koji., Minowa, Takehisa. Design of The Axial Flux Permanent Magnet Coreless Generatror for The Multi-Megawatts Wind Turbine. Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Japan.
[5] Pujowidodo, Hariyotejo., Helian, J.,Pramono, Gatot E., Ridwan, A. Pengembangan Generator Mini Dengan Menggunakan Magnet Permanen. [6] Price, Garrison F., Batzel, Todd D., Comanescu,
Mihai., Muller, Bruce A. Design and Testing of a Permanent Magnet Axial Flux Wind Power Generator. 2008.
