i
ANALISIS TORSI COGGING SPM GENERATOR PADA RANCANGAN DUMMY SLOTS DAN
STRUKTUR MAGNET PERMANEN SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi
Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata 1 Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh : ANSOR RUSMAN
201610130311080
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2020
ii
iii
iv
v ABSTRAK
SPM Generator adalah alat pada pembangkit listrik yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Generator menjadi salah satu komponen atau bagian terpenting dalam suatu pembangkit tenaga listrik. Masalah yang sering terjadi pada generator adalah besarnya nilai torsi cogging yang dihasilkan yang diakibatkan oleh interaksi antara stator, rotor dan magnet permanen sehingga menimbulkan beberapa efek negatif terhadap kinerja sebuah generator seperti meningkatkan riak torsi, suara kebisingan dan guncangan. Oleh karena itu, penelitian ini akan menjelaskan tentang metode-metode yang digunakan untuk mengurangi torsi cogging. Penelitian ini merancang salah satu generator pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB ) dengan jenis surface permanent magnet generator atau SPM Generator berskala kecil. SPM Generator dirancang menggunakan perangkat lunak MagNet 7.5 Infolytica yang terdiri dari 12 slot dan 8 pole dengan kapasitas 500 Watt. Pemilihan metode dummy slots dan struktur magnet permanen akan menjadi solusi dalam mengatasi masalah meningkatnya torsi cogging. Metode dummy slots dan struktur magnet permanen dipilih untuk menganalisa pengaruh terhadap perubahan nilai torsi cogging. Hasil yang diperoleh dari simulasi SPM Generator bahwa metode dummy slots dan struktur magnet permanen mampu mengurangi torsi cogging sebesar 1.42 Nm. Jadi, metode dummy slots dan struktur magnet permanen dapat mempengaruhi nilai torsi cogging menjadi lebih kecil.
Kata kunci: Generator, torsi cogging, dummy sots, struktur magnet permanen.
vi ABSTRACT
SPM Generator is a tool in a power plant that is used to electrical energy.
The generator is one of the most important components or parts in a power plant.
The problem that often occurs in generators is the large amount of cogging torque generated due to the interaction between the stator, rotor and permanent magnet, which causes several negative effects on the performance of a generator such as increasing torque ripple, noise and shocks. Therefore, this study will discuss the methods used to reduce cogging torque. This study designed a wind power generator (PLTB) with the type of surface permanent magnet generator or small- scale SPM Generator. SPM Generator is designed using MagNet 7.5 Infolytica software which consists of 12 slots and 8 poles with a capacity of 500 Watt. The choise of dummy slots method and permanent magnet structure will be a solution in overcoming the problem of increasing cogging torque. The method of dummy slots and permanent magnet structure was chosen to analyze the effect of changes in the value of the cogging torque. The results obtained from the SPM Generator simulation show that the dummy slots method and permanent magnet structure are able to reduce the cogging torque by 1.42 Nm. So, the dummy slots method and the permanent magnet structure can affect the cogging torque value to be smaller.
Keywords: Generator, cogging torque, dummy slots, permanent magnet structur.
vii
LEMBAR PERSEMBAHAN
Segala puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT atas rahmat dan hidayah-Nya telah memberikan saya kekuatan dan membekali dengan ilmu sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Sholawat dan salam selalu terlimpahkan kepada Nabi Muhammad SAW. Dalam proses penyusunan skripsi ini saya tidak terlepas dari berbagai pihak yang senantiasa memberikan dukungan, bimbingan, bantuan, dan doa sehingga saya dapat menyelesaikannya dengan baik.
Pada kesempatan yang berharga ini, tak lupa saya mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Orang tua saya Bapak Rusdi dan Ibu Nurmah serta nenek saya Ibu Siti Hawa yang selalu memberikan doa dan dukungan tiada henti
2. Adik saya Asih Masita yang selalu menghibur dan mendukung saya.
3. Ibu Ir. Nur Alif Mardiyah, MT. dan Bapak Widianto, ST., MT. yang telah mendukung, meluangkan banyak waktu, tenaga, dan pikiran untuk membimbing saya dalam menyelesaikan skripsi ini.
4. Bapak Machmud Effendy, ST., M.Eng. dan Khusnul Hidayat, ST., MT.
selaku penguji yang telah meluangkan waktunya memberikan masukan, saran, dan kritik yang membangun sehingga penyusunan skripsi ini berjalan dengan baik.
5. Ketua Jurusan Teknik Elektro, Ibu Ir. Nur Alif Mardiyah, MT. dan Sekertaris Jurusan Teknik Elektro, Bapak Widianto, ST., MT. beserta seluruh staf Jurusan Teknik Elektro.
6. Seluruh civitas akademika (dosen, asisten, dan karyawan) Universitas Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu selama proses studi.
7. Keluarga Teknik Elektro B 2016, Electrical Zone yang senantiasa memberi dukungan, semangat, dan bantuannya.
8. Dan yang terakhir, semuanya yang telah membantu saya yang tidak bisa disebutkan satu persatu.
viii
Penulis menyadari bahwa isi dari skripsi ini masih jauh dari kata sempurna. Untuk itu kritik dan saran yang membangun sangat kami harapkan demi perbaikan dimasa mendatang. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan penelitian selanjutnya
Malang, 20 Oktober 2020
Ansor Rusman
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan kepada Allah Subhanahu Wa Ta‟ala, atas segala rahmat serta Hidayah-Nya. Sholawat serta salam semoga senantiasa tercurah kepada Rasulullah Muhammad Shalallaahu „Alayhi Wassallam. Atas kehendak dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul:
“ANALISIS TORSI COGGING SPM GENERATOR PADA RANCANGAN DUMMY SLOTS DAN STRUKTUR MAGNET PERMANEN”
Penulisan Tugas Akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarana teknik di Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang.
Penulis menyadari bahwa isi dari tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna. Untuk itu kritik dan saran yang membangun sangat saya harapkan demi perbaikan di masa mendatang. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan peneliti selanjutnya.
Malang, Oktober 2020
Penulis
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN ... iii
LEMBAR PERNYATAAN ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
LEMBAR PERSEMBAHAN ... vii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xvii
DAFTAR LAMPIRAN ... xviii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 4
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan Penelitian ... 5
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
1.6 Sistematika Penulisan... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTB) ... 7
2.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron Magnet Permanen ... 9
2.3 Kecepatan Putar Generator ... 10
2.4 Konstruksi SPM Generator ... 11
2.4.1 Stator ... 11
xi
2.4.2 Rotor ... 11
2.4.3 Magnet Permanen ... 12
2.3.4 Celah Udara (Air Gap) ... 14
2.5 Variabel Desain SPM Generator ... 14
2.5.1 Desain Dimensi SPM Generator ... 15
2.5.2 Desain Dimensi Stator dan Rotor ... 16
2.5.3. Ukuran Magnet Permanen ... 18
2.6 Mekanisme Torsi Cogging ... 20
2.7 Rangkaian Penyearah (Rectifier)... 21
BAB III METODE PENELITIAN ... 23
3.1 Perancangan Generator... 23
3.1.1 Pemodelan Generator ... 23
3.1.2 Desain SPM Generator 12S8P Tanpa Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Menggunakan Perangkat Lunak Magnet 7.5 Infolytica ... 23
3.1.3 Desain SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Menggunakan Perangkat Lunak MagNet 7.5 Infolytica ... 25
3.1.4 Pemilihan Jenis Material Stator dan Rotor ... 26
3.1.5 Pemilihan Jenis Material Magnet Permanen ... 27
3.1.6 Pemilihan Jenis Material Lilitan ... 28
3.2 Penentuan Dimensi Generator ... 28
3.2.1 Perhitungan Dimensi Utama Generator ... 29
3.2.2 Perhitungan Hubungan Stator dan Rotor ... 29
3.2.3 Perhitungan Ukuran Magnet Permanen ... 32
3.2.4 Perhitungan Kecepatan Putar Generator ... 33
3.3 Spesifikasi SPM Generator ... 34
3.4 Rancangan Penyearah Gelombang (Rectifier) ... 35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 36
4.1 Simulasi SPM Generator 12S8P Tanpa Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Menggunakan Perangkat Lunak MagNet 7.5 ... 36
xii
4.1.1 Simulasi SPM Generator 12S8P Sebelum Menggunakan Beban/Simulasi Tanpa Beban ... 37 4.1.2 Simulasi SPM Generator 12S8P Setelah Menggunakan
Beban/Simulasi Berbeban ... 39 4.1.3 Simulasi Torsi Cogging SPM Generator 12S8P Tanpa
Struktur Magnet Permanen Dan Dummy Slots ... 43
4.2 Simulasi SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Menggunakan Perangkat Lunak MagNet 7.5 ... 46
4.2.1 Simulasi SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Tanpa Beban ... 47
4.2.2 Simulasi SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Menggunakan Beban atau Simulasi Berbeban ... 48 4.2.3 Simulasi Torsi Cogging SPM Generator 12S8P Dengan
Struktur Magnet Permanen Dan Dummy Slots ... 51
4.3 Simulasi SPM Generator Tanpa Dummy Slots Dan Dengan Struktur Magnet Permanen ... 54
4.3.1 Simulasi Tanpa Beban SPM Generator Tanpa Dummy Slots Dan Dengan Struktur Magnet Permanen ... 54
4.3.2 Simulasi Berbeban SPM Generator Tanpa Dummy Slots Dan Dengan Struktur Magnet Permanen ... 55
4.3.3 Simulasi Torsi Cogging SPM Generator Tanpa Dummy Slots Dan Dengan Struktur Magnet Permanen ... 56
4.4 Simulasi SPM Generator Dengan Dummy Slots Dan Tanpa Struktur Magnet Permanen ... 58
xiii
4.4.1 Simulasi Tanpa Beban SPM Generator Dengan Dummy Slots
Dan Tanpa Struktur Magnet Permanen ... 58
4.4.2 Simulasi Berbeban SPM Generator Dengan Dummy Slots Dan Tanpa Struktur Magnet Permanen ... 59
4.4.3 Simulasi Torsi Cogging SPM Generator Dengan Dummy Slots Dan Tanpa Struktur Magnet Permanen ... 60
BAB V PENUTUP ... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
5.2 Saran ... 63
DAFTAR PUSTAKA ... 64
LAMPIRAN ... 66
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Konversi Energi Angin Pada PLTB... 7
Gambar 2.2 Fluks Magnetik ... 10
Gambar 2.3 (a) Surface Permanent Magnet, (b) Interior Permanent Magnet... 12
Gambar 2.4 Magnet Permanen dan Plat Baja ... 12
Gambar 2.5 Plot Fluks dari Magnet Permanen ... 13
Gambar 2.6 Model Referensi SPM Generator ... 14
Gambar 2.7 (a) Kerangka Stator, (b) Kerangka Rotor ... 17
Gambar 2.8 Desain Stator dan Rotor SPM Generator ... 18
Gambar 2.9 Diagram Skematik SPM Generator ... 20
Gambar 2.10 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh 3 Phasa ... 21
Gambar 3.1 Full Model SPM Generator 12 Slot 8 Pole Tanpa Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 25
Gambar 3.3 Desain SPM Generator Dengan Struktur Magnet Permanen ... 25
Gambar 3.4 Desain Full Model SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 26
Gambar 4.1 Hasil Fluks Lingkage SPM Generator 12S8P Tanpa Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 37
Gambar 4.2 Rangkaian Simulasi Tanpa Beban SPM Generator ... 38
Gambar 4.3 Tegangan Fasa SPM Generator 12S8P ... 38
Gambar 4.4 Tegangan Antar Fasa SPM Generator 12S8P ... 38
Gambar 4.5 Rangkaian Penyearah Simulasi Berbeban SPM Generator ... 40
Gambar 4.6 Arus Pada Tiap Kumparan ... 40
xv
Gambar 4.7 Tegangan Pada Tiap Kumparan ... 41
Gambar 4.8 Arus dan Tegangan yang Mengalir Pada Beban 250 Ω ... 41
Gambar 4.9 Nilai Torsi SPM Generator 12S8P... 42
Gambar 4.10 Hasil Torsi Cogging SPM Generator 12S8P Tanpa Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 45
Gambar 4.11 Fluks Lingkage SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 46
Gambar 4.12 Tegangan Fasa SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 47
Gambar 4.13 Tegangan Antar Fasa SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 47
Gambar 4.14 Arus Pada Masing-Masing Fasa SPM Generator12S8p Dengan Struktur Magnet Permanen Dan Dummy Slots ... 49
Gambar 4.15 Tegangan Pada Masing-Masing Fasa SPM Generator12S8p Dengan Struktur Magnet Permanen Dan Dummy Slots ... 49
Gambar 4.16 Arus dan Tegangan Yang Mengalir Pada Beban 250 Ω ... 50
Gambar 4.17 Nilai Torsi SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 50
Gambar 4.18 Nilai Torsi Cogging SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 53
Gambar 4.19 Tegangan fasa SPM Generator 12S8P ... 54
Gambar 4.20 Tegangan antar fasa SPM Generator 12S8P ... 54
Gambar 4.21 Arus dan Tegangan pada Beban 250 Ohm ... 55
Gambar 4.22 Nilai Torsi SPM Generator 12S8P ... 56
xvi
Gambar 4.23 Torsi cogging SPM Generator 12S8P tanpa dummy slots dan dengan
struktur magnet permanen ... 57
Gambar 4.24 Tegangan fasa SPM Generator 12S8P ... 58
Gambar 4.25 Tegangan antar fasa SPM Generator 12S8P ... 58
Gambar 4.26 Arus dan tegangan pada beban 250 Ohm ... 59
Gambar 4.27 Nilai Torsi SPM Generator 12S8P ... 59
Gambar 4.28 Nilai Torsi Cogging SPM Generator 12 S8P ... 61
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Dimensi SPM Generator 12 Slot 8 Pole ... 24
Tabel 3.2 Karakteristik Material Silicon Steel Jenis M235-35A ... 26
Tabel 3.3 Karakteristik material neodymium iron boron 48/11 ... 27
Tabel 3.4 Karakteristik Material Copper: 5.77e7 Siemens/m ... 28
Tabel 3.5 Parameter Awal Untuk Perhitungan Dimensi Generator ... 28
Tabel 3.6 Parameter Awal Untuk Perhitungan Stator dan Rotor ... 39
Tabel 3.7 Parameter Awal Untuk Perhitungan Dimensi Magnet Permanen ... 32
Tabel 3.8 Spesifikasi SPM Generator ... 34
Tabel 4.1 Data Hasil Simulasi SPM Generator 12S8P Tanpa Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots Berbeban ... 43
Tabel 4.2 Data Hasil Simulasi Torsi Cogging SPM Generator 12S8P Tanpa Struktur Magnet Permanen Dan Dummy Slot ... 44
Tabel 4.3 data hasil simulasi berbeban SPM Generator 12S8P dengan struktur magnet permanen dan dummy slots... 51
Tabel 4.4 Data Hasil Simulasi SPM Generator 12S8P Dengan Struktur Magnet Permanen dan Dummy Slots ... 52
Tabel 4.5 Hasil simulasi torsi cogging SPM Generator 12S8P tanpa dummy slots dan dengan struktur magnet permanen ... 56
Tabel 4.6 Data Hasil Simulasi torsi cogging SPM Generator dengan dummy slots dan tanpa struktur magnet permanen ... 60
Tabel 4.7 Output hasil simulasi SPM Generator 12S8P ... 61
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Lembar Persetujuan Ujian Skripsi ... 66 Lampiran 2. Form Cek Plagiasi Laporan Tugas Akhir ... 67
xix
DAFTAR PUSTAKA
[1] S. Martosaputro and N. Murti, “Blowing the Wind Energy inIndonesia”, Energy Procedia, vol. 47, pp. 273–282, 2014.
[2] Ion Boldea dan Syed Nasar,”The Electric Generator Hand Book Synchronous Generators” CRC Press, Taylor & Francis Group.
[3] F. Gieras and M. Wing. “Permanent Magnet Motor Technology”, New York, NY, USA: Wiley, 2008.
[4] G. C. Lee and T. U. Jung, “Design of dual structural axial flux permanent magnet generator for small wind turbine”, IEEE TENCON Spring Conference, 2013.
[5] Nilcola Bianchi and Silverio Bolognani, “Design Techniques for Reducing the Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motors”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 38, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2002.
[6] Todorov, dkk, “Effects of Cogging Torque Reduction Techniques Applied to Surface Mounted PMSMs with Distributed Windings”, International converence on electrical machines, drives and power system, 2017.
[7] Wang, dkk, “Reduction on Cogging Torque in Flux-Switching Permanent Magnet Machine by Teeth Notching Schemes”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 48, NO. 11, NOVEMBER 2012.
[8] Yoko, “Stator Design of Alternate Slot Winding for Reducing Torque Pulsation with Magnet Designs in Surface-Mounted Permanent Magnet Motors”, IEEE Transactions on Magnetics, 2015.
xx
[9] Herlina, dkk, “Cogging Torque Reduction by Modifying Stator Teeth and Pemanent Magnet Shape on a Surface Mounted PMSG”, International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA), 2017.
[10] Chan Lee, dkk, “Design on Permanent Magnet Structure of Radial Flux Permanent Magnet Generator for Cogging Torque Reduction and Low Torque Ripple“, The16th European Conference on Power Electronics and Applications, 2014.
[11] Zhao, dkk, “The Influence of Dummy Slots on Stator Surface-Mounted Permanent Magnet Machines”,IEEE Transactions on Magnetics, Volume:
53 , Issue: 6 , June 2017.
[12] Indrawan dan Rangga HS,”Analisa Efisiensi dan Rancang Generator Permanent Magnet 12 Slot 8 Pole Menggunakan Software Magnet 7.5”, Universitas Al Azhar Indonesia, Jakarta, Indonesia,2018.
[13] Aryanto, Made Mara dan Nuarsa,” PENGARUH KECEPATAN ANGIN DAN VARIASI JUMLAH SUDU TERHADAP UNJUK KERJA TURBIN ANGIN POROS HORIZONTAL”, Dinamika Teknik Mesin, Volume 3 No. 1 Januari 2013.
[14] Irfan dan Hamzah,”DISAIN DAN SIMULASI GENERATOR MAGNET PERMANEN 3 PHASA MENGGUNAKAN SOFTWAWRE MAGNET UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN KECEPATAN RENDAH”, Jurusan Teknik Elektro Universitas Riau, Jom FTEKNIK Volume 6 Edisi 1 Januari s/d Juni 2019
xxi
