ABSTRAK
PEMBUATAN GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK BERPUTARAN RENDAH DAN PENGUKURAN IMPEDANSI (Zs)-NYA
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengukur impedansi generator sinkron rangka akrilik. Putaran rendah yang digunakan dalam pengukuran adalah 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm. Parameter yang diukur dalam penelitian adalah tegangan listrik, arus listrik dan kecepatan putaran pada generator sinkron. Pengukuran dilakukan menggunakan tahanan dan tidak menggunakan tahanan. Perhitungan dilakukan pada kecepatan 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm. Impedansi yang dihasilkan oleh generator sinkron adalah 60,35, 51,96, 31,61, 23,97 dan 19,1 .
ABSTRACT
MAKING LOW SPEED ACRYLIC FRAME SYNCHRONOUS GENERATOR AND MEASURING ITS IMPEDANCE (Zs)
The aim of this research is to measure impedance of acrylic frame synchronous generator. The speed of device are 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 and 860 rpm. Measured parameter in this research are electric voltage, electric current and rotation speed of the synchronous generator. Measurements were performed with or without resistance as the load. The calculation is performed at speeds of 345, 410, 530, 690 and 860 rpm. Impedance generated by the synchronous generator are 60.35, 51.96, 31.61, 23.97 and 19.1 .
PEMBUATAN GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK BERPUTARAN RENDAH DAN PENGUKURAN IMPEDANSI (Zs)-NYA
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan Program Studi Pendidikan Fisika
Oleh:
FLORIANUS YANDHI SETIAWAN NIM: 101424039
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
PEMBUATAN GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK BERPUTARAN RENDAH DAN PENGUKURAN IMPEDANSI (Zs)-NYA
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan Program Studi Pendidikan Fisika
Oleh:
FLORIANUS YANDHI SETIAWAN NIM: 101424039
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
v
HALAMAN PERSEMBAHAN Skripsi ini penulis persembahkan untuk:
TUHAN YESUS KRISTUS
Jermawansyah dan Limpah M.
(Orang tua penulis)
SAUDARA PEREMPUAN DAN LAKI-LAKI PENULIS
KELUARGA BESAR PENULIS
Keluarga Besar Program Studi Pendidikan Fisika Universitas Sanata Dharma
dan semua pihak yang telah mendukung penulis
viii ABSTRAK
PEMBUATAN GENERATOR SINKRON RANGKA AKRILIK BERPUTARAN RENDAH DAN PENGUKURAN IMPEDANSI (Zs)-NYA
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengukur impedansi generator sinkron rangka akrilik. Putaran rendah yang digunakan dalam pengukuran adalah 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm. Parameter yang diukur dalam penelitian adalah tegangan listrik, arus listrik dan kecepatan putaran pada generator sinkron. Pengukuran dilakukan menggunakan tahanan dan tidak menggunakan tahanan. Perhitungan dilakukan pada kecepatan 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm. Impedansi yang dihasilkan oleh generator sinkron adalah 60,35, 51,96, 31,61, 23,97 dan 19,1 .
ix ABSTRACT
MAKING LOW SPEED ACRYLIC FRAME SYNCHRONOUS GENERATOR AND MEASURING ITS IMPEDANCE (Zs)
The aim of this research is to measure impedance of acrylic frame synchronous generator. The speed of device are 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 and 860 rpm. Measured parameter in this research are electric voltage, electric current and rotation speed of the synchronous generator. Measurements were performed with or without resistance as the load. The calculation is performed at speeds of 345, 410, 530, 690 and 860 rpm. Impedance generated by the synchronous generator are 60.35, 51.96, 31.61, 23.97 and 19.1 .
x
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan kasih yang luar biasa. Berkat kasih dan kuasaNya, penyusun skripsi ini dapat terselsaikan dengan baik. Karya ini penulis beri judul “Pembuatan Generator Sinkron Rangka Akrilik Berputaran Rendah Dan Pengukuran Impedansi (Zs)-nya”. Penyusun skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana pendidikan pada Program Studi Pendidikan Fisika Fakultas Keguruan Dan Ilmu Pendidikan Universitas Sanata Dharma.
Penyusunan skripsi ini penuh dengan tantangan. Maka penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis dalam menangani setiap rintangan yang penulis hadapi. Mereka adalah:
1. Bapak A. Prasetyadi, M.Si. selaku dosen pembimbing dan dosen Program Studi Pendidikan Fisika yang dengan penuh kesabaran telah membimbing, membantu, mendampingi, memotivasi serta meluangkan waktunya kepada penulis selama masa perkuliahan, penelitian dan proses penulisan skripsi ini. 2. Bapak Rohandi, Ph.D. selaku Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu pendidikan
Universitas Sanata Dharma dan Dosen Pembimbing Akademik yang telah mendampingi dan membimbing selama perkuliahan.
3. Bapak Intan sebagai laboran yang telah banyak membantu penulis selama masa setudi selama penelitian.
4. Ayahku, Jermawansyah dan ibuku, Limpah M yang selama ini selalu mendoakan, memotivasi, dan membantu penulis dalam banyak hal.
xi
6. Della Apriani yang selalu mendukung, memotivasi, mendengarkan keluhan penulis dengan sabar, dan telah meminjamkan laptop miliknya untuk penelitian ini.
7. Agus Riadi, Lendi kotipki, dan Dedy Luky yang telah menemani, mendukung dan membantu selama penelitian.
8. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu penulis selama menyelsaikan studi dan menyelsaikan skripsi.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan dan penulisan skripsi ini masih belum sempurna. Penulis dengan besar hati mengharapkan kritik dan saran. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan.
xii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ... v
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vi
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS...vii
D. Tujuan Penelitian ... 3
E. Manfaat Penelitian ... 4
F. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 6
A. Impedansi ... 6
B. Hukum Faraday ... 7
C. Generator Sinkron ... 10
D. Kontruksi Generator Sinkron ... 11
D.1 Stator ... 12
D.2 Rotor ... 12
xiii
E. Reaktansi Sinkron Magnet Permanen Setara Generator AC... 13
F. Generator Sinkron Tanpa Beban ... 14
G. Generator Sinkron Dengan Beban ... 14
BAB III METODE PENELITIAN... 16
A. Waktu dan Tempat Pelaksanaan ... 16
B. Desain Penelitian ... 16
C. Parameter Yang Diukur... 22
BAB IV HASIL DAB PEMBAHASAN... 27
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 38
A. Kesimpulan ... 38
B. Saran ... 38
DAFTAR PUSTAKA ... 40
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Tabel tahanan total ZL dari gradien grafik pengaruh tegangan terhadap
arus ... 29
Tabel 4.2. Tabel medan magnetik (B) dari grafik pengaruh kecepatan anguler ( ) terhadap tegangan (V) ... 33
Tabel 4.3. Data perhitungan nilai tegangan reaktansi Ex pada generator sinkron ... 34
Tabel 4.4. Data perhitungan nilai arus I pada generator sinkron ... 35
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Rangkaian generator sinkron ... 14
Gambar 2.2. Rangkaian generator sinkron tanpa beban ... 14
Gambar 2.3. Rangkaian generator sinkron dengan beban... 15
Gambar 3.1. Desain rangka generator sinkron pada coreldraw x5 ... 17
Gambar 3.2. Foto rangka generator sinkron ... 18
Gambar 3.3. Magnet ND-35... 19
Gambar 3.4. (a) Bentuk generator sinkron menggunkan seng luar, (b) Bentuk generator sinkron tidak menggunkan seng luar ... 20
Gambar 3.5. Set alat generator sinkron saat penelitian di laboratorium teknologi mekanik Universitas Sanata Dharma ... 21
Gambar 3.6. Rangkaian alat generator sinkron yang disusun secara vertikal pada mesin driling ... 21
Gambar 3.7. Rangkaian ekuivalen pengukuran pada generator ... 22
Gambar 3.8. Pengukuran arus listrik menggunakan clampmeter pada generator sinkron ... 23
Gambar 3.9. Lampu yang digunakan dalam pengukuran ... 24
Gambar 3.10. Menentukan jari-jari (r) pada generator sinkron ... 24
Gambar 3.11. Menentukan panjang penampang lilitan (l) pada generator sinkron ... 25
xvi
Gambar 4.2. Grafik pengaruh tegangan terhadap arus dari generator sinkron
menggunakan seng luar ... 28 Gambar 4.3. Grafik pengaruh jumlah lampu terhadap tahanan ... 30 Gambar 4.4. Grafik pengaruh putaran terhadap tegangan dari generator
sinkron tidak menggunakan seng luar ... 30 Gambar 4.5. Grafik pengaruh putaran terhadap tegangan dari generator
sinkron menggunkan seng luar... 31 Gambar 4.6. Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari
generator sinkron tanpa menggunakan seng luar ... 32 Gambar 4.7. Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari
generator sinkron menggunakan seng luar ... 32 Gambar 4.8. Grafik pengaruh kecepatan putar terhadap impedansi dari
1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Impedansi dari suatu rangkaian merupakan rasio dari tegangan yang melintasi elemen rangkaian terhadap arus yang mengalir pada rangkaian. Pada keping kapasitor impedansi berperan sebagai penghalang suatu medan listrik yang diberikan oleh keping. Impedansi pada rangkaian keping kapasitor dipengaruhi oleh frekuensi, resistansi, dan reaktansi total. Frekuensi yang sangat rendah reaktansi kapasitif menjadi lebih besar daripada reaktansi induktif, jadi impedansinya akan besar dan arus maksimum kecil. Ketika frekuensinya naik reaktansi induktif akan meningkat dan reaktansi kapasitif menjadi turun [Tipler, 2001].
Impedansi dapat didefinisikan sebagai karakteristik listrik yang menjadi penghambat suatu daya listrik. Impedansi dipengaruhi oleh frekuensi sehingga sifatnya berubah-ubah. Satuannya adalah ohm. Istilah impedansi sering kita temui dalam perangkat-perangkat audio seperti speaker, earphone, dan lain-lain.
Generator arus bolak-balik (AC) atau disebut dengan alternator adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik (gerak) menjadi energi listrik (elektrik) dengan perantara induksi magnetik. Perubahan energi ini terjadi karena adanya perubahan medan magnet B pada kumparan (tempat terbangkitnya tegangan pada generator) [Wildi, 1981].
Pengembangan pembangkit skala kecil yang efisien untuk sistem mini biasanya menggunakan magnet permanen yang mempunyai rapat fluks magnetik tinggi untuk memperkecil volume. Magnet permanen dari bahan Neodymium biasanya dipilih karena memiliki karakteristik magnetik yang baik sekalipun memiliki kekurangan pada ketahanan pada temperatur tinggi dan korosi [Prasetyadi, 2012].
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut dapat dirumuskan masalah 1. Bagaimana membuat generator sinkron dengan rangka akrilik? 2. Bagaimana menentukan nilai rapat medan magnetik B generator
sinkron dengan rangka akrilik?
3. Bagaimana menentukan nilai impedansi generator sinkron dengan rangka akrilik?
C. Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah yang dibatasi pada
1. Putaran rendah yang digunakan terdiri dari 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm,
2. Generator sinkron yang digunakan prisma segi delapan dengan 8 kumparan, delapan buah magnet dan 800 lilitan,
3. Kawat email yang digunakan berdiameter 0.5 mm dan 4 buah lampu, 4. Akrilik yang digunakan memiliki tebal 0.5 mm,
5. Sofware yang digunakan untuk mendesain generator sinkron adalah Corel Draw X5.
D. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk
1. Membuat generator sinkron dengan bahan akrilik,
2. Menentukan nilai B generator sinkron dengan rangka akrilik,
E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian adalah
1. Mengetahui cara pembuatan generator sinkron,
2. Mengetahui cara menentukan nilai B generator sinkron,
3. Mengetahui cara menentukan nilai impedansi generator sinkron. F. Sistematika Penulisan
BAB I Pendahuluan
Bab I menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batas masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
BAB II Dasar Teori
Bab II menguraikan tentang dasar-dasar teori pendukung dalam penelitian.
BAB III Eksperimen
Bab III menguraikan tentang tempat pelaksanaan penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, dan langkah-langkah penelitian.
BAB IV Hasil dan Pembahasan
BAB V Penutup
6 BAB II
LANDASAN TEORI A. Impedansi
Impedansi adalah sebuah kuantitas kompleks yang memiliki dimensi ohm. Impedansi menyatakan perbandingan tegangan terhadap arus pada elemen-elemen pasif yang dialiri arus AC. Hubungan antara tegangan, arus dan impedansi dinyatakan sebagai
(2.1)
dengan Z adalah impedansi, V adalah tegangan di antara terminal elemen pasif dan I adalah arus yang mengalir. Perbandingan-perbandingan ini merupakan fungsi sederhana dari harga elemen , dan juga frekuensi. Misalnya, sebuah induktor L akan dinyatakan di dalam daerah waktu oleh induktansi L dan di dalam daerah frekuensi oleh impedansi jωL. Sebuah kapasitor di dalam daerah waktu adalah C dan 1/ jωC di dalam daerah frekwensi. Dengan demikian impedansi induktor adalah
(2.2)
dan impedansi kapasitor adalah
(2.3)
dan impedansi kapasitor tersebut adalah
Impedansi ekivalen dari kombinasi seri dari kedua elemen ini adalah
Sedangkan untuk menghitung sebuah kombinasi paralel digunakan cara yang persis sama sebagaimana cara menghitung tahanan-tahanan paralel, yaitu
Berlakunya kedua hukum kirchhoff di dalam daerah frekwensi memungkinkan dengan mudah bahwa impedansi dapat dikombinasikan secara seri dan paralel dengan aturan-aturan yang sama seperti untuk tahanan listrik [Kemmerly, 2005] B. Hukum Faraday
Hukum induksi faraday menyatakan bahwa ggl (gaya gerak listrik) induksi dipengaruhi oleh fluks . GGL yang timbul antara ujung-ujung suatu loop penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut [Tipler, 2001]. Secara matematis fluks magnetik tersebut dinyatakan sebagai berikut:
(2.4)
(2.5)
Tanda negatif pada persamaan (2.5) sesuai dengan hukum Lenz. Dengan bahasa yang sederhana hukum Lenz dirumuskan : Ggl induksi dan arus induksi memiliki arah sedemikian rupa sehingga melawan muatan yang menghasilkan ggl dan arus induksi tersebut [Tipler, 2001]. Apabila perubahan fluks ( terjadi dalam waktu singkat (Δt=0), maka ggl induksi menjadi:
(2.6)
dengan adalah ggl induksi (volt), N adalah banyaknya lilitan, adalah perubahan fluks magnetik (Wb), dan adalah selang waktu (s).
Karena fluks adalah fungsi luas dan rapat medan atau A.B= maka
d = d (B.A) (2.7)
(perubahan magnetik) sehingga
(2.9)
Dari persamaan (2.8) dapat ditentukan besarnya rapat medan magnetik B pada generator sinkron. Diketahui A adalah fungsi luas (A = Panjang (p) x Lebar ( )), t adalah waktu dan N masuk kepersamaan fungsi luas. Sehingga persamaan dapat ditulis sebagai berikut :
(2.11)
Pada persamaan (2.11) diketahui bahwa,
= kecepatan linier. Persamaan kecepatan linier adalah v = r.ω sehingga persamaan dapat ditulis menjadi :
(2.12)
dengan adalah ggl induksi (volt), B adalah rapat medan magnetik , adalah lebar (dalam generator sinkron = panjang penampang lilitan (l) x 2 x jumlah lilitan total (N)), adalah kecepatan anguler dan r adalah jari-jari.
Ggl induksi memiliki satuan volt sehingga dengan demikian persamaan (2.12) dapat ditulis :
(2.13)
(2.14)
Jika sehingga dapat dibuat grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan V sebagai berikut :
Gambar 2.1 Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan
dari gambar 2.1 diketahui sehingga persamaan (2.14) dapat ditulis menjadi:
Dari persamaan (2.15) dapat ditentukan besarnya nilai rapat medan magnetik dangan persaman sebagai berikut :
(2.16)
dengan adalah gradien dari grafik hubungan kecepatan anguler terhadap
tegangan.
C. Generator Sinkron
Generator arus bolak-balik (AC) atau disebut dengan alternator adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mengkonversi enegi mekanik (gerak) menjadi enrgi listrik (elektrik) dengan perantara induksi magnetik. Perubahan energi ini terjadi karena adanya perubahan medan magnet B pada kumparan (tempat terbangkitnya tegangan pada generator).
Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada lilitan. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator.
Frekuensi dalam hertz adalah sama seperti laju rotor dalam putaran perdetik, yakni, frekuensi listrik tersebut disinkronisasikan dengan laju mekanis. Inilah alasannya mengapa mesin ini sering dinamakan mesin sinkron. Misalnya sebuah mesin sinkron berkutub dua harus berputar pada 3600 r/min untuk menghasilkan sebuah tegangan 60 Hz.
diasosiasikan dengan tiap-tiap pasangan kutub lainnya adalah pengulangan kodisi-kondisi untuk pasangan yang ditinjau.
Satu pasangan kutub dalam sebuah mesin berkutub p atau siklus distribusi fluks menyamai 360 derajat listrik atau 2π radian listrik. Karena ada p/2 panjang
gelombang lengkap atau siklus satu putaran lengkap, maka diperoleh
(2.17)
dengan θ adalah sudut dalam satuan listrik dan adalah sudut mekanis. Maka
frekuensi gelombang tegangan adalah
(2.18)
dengan n adalah laju mekanis dalam putaran per menit dan n/60 adalah laju dalam putaran per detik. Frekuensi radian dari gelombang tegangan adalah
(2.19)
dengan adalah laju mekanis dalam radian per detik [Fitzgerald, 1985]. D. Kontruksi Generator Sinkron
Secara umum kontruksi generator sinkron terdiri dari stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Generator sinkron memiliki celah antara stator dan rotor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya fluks atau induksi energi listrik dari rotor ke stator.
Adapun kontruksi generator AC adalah sebagai berikut:
1. Rangka stator terbuat dari akrilik, yang merupakan rumah stator tersebut.
3. Rotor, pada bagian ini terdapat kutub-kutub magnet. D.1 Stator
Stator merupakan bagian yang diam dan merupakan gulungan kawat penghantar yang disusun sedemikian rupa dan ditempatkan pada alur-alur akrilik. Pada penghantar tersebut adalah tempat terbentuknya ggl induksi yang diakibatkan dari medan magnet putar dari rotor.
D.2 Rotor
Rotor merupakan bagian yang bergerak. Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet sehingga menghasilkan tegangan kemudian akan diinduksikan ke stator. Rotor pada generator juga berfungsi sebagai tempat magnet yang disusun pada alur-alur akrilik.
D.3 Jumlah Kutub
Jumlah kutub pada generator sinkron mempengaruh kecepatan rotasi dan frekuensi. Pada generator sinkron jumlah kutub mempengaruhi besarnya frekuensi kerja putaran rotor. Semakin banyak kutub maka semakin kecil putaran yang diperlukan rotor untuk menghasilkan tegangan tertentu. Bahwa hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik :
(2.20)
dengan f adalah frekuensi tegangan induksi [Hz], p adalah jumlah kutub pada rotor dan n adalah kecepatan rotor [r/min].
=120x60/200
=36 kutub, atau 18 pasang kutub utara dan selatan
E. Reaktansi Sinkron Magnet Permanen Setara Generator AC
Sebuah generator dengan kutub yang berupa magnet permanen berperilaku seperti halnya generator sinkron. Pada generator sinkron, setiap fase belitan stator memiliki resistansi R dan induktansi tertentu L. Karena ini mesin arus bolak-balik, induktansi memanifestasikan sebagai reaktansi Xs, diberikan oleh
π (2.21)
dengan Xs adalah reaktansi sinkron, per fase [Ώ], f adalah frekuensi generator
F. Generator Sinkron Tanpa Beban
Rangkaian generator sinkron yang tidak diberi beban dapat dilihat pada gambar 2.2 sebagai berikut :
Gambar 2.2. Rangkaian generator sinkron tanpa beban
G. Generator Sinkron Dengan Beban
Rangkaian generator sinkron yang diberi beban ZL dengan fluks yang menginduksi E₀ tegangan internal dari sumber dengan tegangan terminal keluaran E pada generator. E₀ terinduksi seri dengan tegangan reaktansi Ex dan impedansi Zs. Bahwa I adalah arus yang melewati beban ZL. Sehingga didapat persamaan :
(2.22)
Dari persamaan 2.15 diketahui bahwa E = I ZL dan Ex = I Zs sehingga persamaan menjadi :
(2.23)
sehingga,
Gamabar 2.1. Rangkaian generator sinkron
(2.24)
(2.25)
Pada generator sinkron pada magnet tetap berlaku ini:
Untuk menentukan impedansi Zs dari gambar 2.3, dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :
(2.26)
(2.27)
Sehingga,
(2.28)
Gambar 2.3 Rangkaian generator sinkron dengan beban
16 BAB III
METODE PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Penelitian dilaksanakan pada Januari-Juni 2015 di Lab Teknologi Mekanik Kapus III Paingan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
B. Desain Penelitian
Penelitian ini adalah penelitian eksperimen untuk mengukur impedansi (Zs)generator dengan kerangka akrilik.
Langkah-langkah dalam penelitian ini meliputi : 1. Desain ukuran rangka
Generator sinkron didesain menggunakan coreldraw X5. Jumlah dan ukuran magnet sebagai tolak ukur awal perancangan generator sinkron. Penggunaan coreldraw X5 karena program ini sesuai dengan program pemotong akrilik. Desain rangka generator sinkron dinyatakan pada gambar 3.1.
Bagian rancangan generator sinkron adalah
a. Rangka rotor adalah tempat magnet menempel dengan diameter 2,65 cm dan tebal 0,5 cm yang terdiri dari 4 rangka sehingga tebalnya menjadi 2 cm. Sedangkan lubang pada bagian tengah berdiameter 0,48 cm yang berfungsi sebagai tempat masuknya as.
c. Rangka stator adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat laker. Rangka ini memimiliki diameter 3,25 cm, tebal 0,5 cm, lubang pada bagian tengah berdiameter 0,95 cm dan rangka ini berjumlah satu pasang. d. Rangka stator adalah bagian yang berfungsi untuk penghubung rangka no 2. Memiliki panjang 2,5 cm, tebal 0,5 cm, tinggi 2,5 cm dan berjumlah delapan buah rangka.
Rangkaian alat pada coreldraw X5 yang dipakai saat penelitian ditunjukan pada gambar 3.1.
Gambar 3.1. Desain rangka generator sinkron pada coreldraw x5. (1) Rotor, (2) Stator, (3) Stator, (4) Stator.
Gambar 3.2. Foto rangaka generator sinkron.
2. Menggunakan seng galvanis a. Seng dalam
Seng digunakan sebgai pelapis rangka no 1, setelah dilapisi baru dipasang magnet di atas seng yang menempel pada rangka no 1. Seng yang digunakan memiliki ketebalan 0,4 mm. Seng memiliki permeabilitas µ yang tinggi karena bahan tersebut dilapisi oleh baja yang termasuk benda-benda ferromagnetik sehingga arus yang dihasilkan bertambah besar.
b. Seng luar
Seng dipasang pada jalur lilitan pada rangka no 2, dengan mengikuti bentuk rangka. Fungsinya sama sebagai penguat arus listrik.
3. Jenis, ukuran dan jumlah magnet yang digunakan
digunakan berjumlah 8 buah. Magnet ND-35 digunakan dalam perancangan generator sinkron karena magnet ND-35 bersifat permanen dan kuat.
Magnet ND-35 memiliki beberapa unsur yaitu Br dan Hcb. Br adalah densitas fluks magnet sebesar 12,1 KGs/ 1,21 T dan Hcb adalah resistensi bahan untuk mengalami kerusakan magnetik sebesar 11,4 KOe/ 0,1432 KA/m [Magcraft, 2007].
Gambar 3.3. Magnet ND-35.
4. Lilitan kawat email
Jumlah kumparan generator sinkron terdiri dari 5 buah kumparan dalam satu sisi. Masing-masing kumparan memiliki 20 lilitan. Kumparan tersebut menggunakan kawat email berdiameter 0,5 mm. Generator sinkron memiliki 8 sisi dengan demikian jumlah total lilitan sebanyak 800 lilitan. Gambar penampang generator ditunjukan pada gambar 3.4.
a b
Gambar 3.4. (a)Bentuk generator sinkron menggunakan seng luar,(b) Bentuk generator sinkron tidak menggunakan seng luar.
Gambar 3.5. Set alat generator sinkron saat penelitian di laboratorium teknologi mekanik Universitas Sanata Dharma.
Gambar 3.6. Rangakaian alat generator sinkron yang disusun secara vertikal pada mesin driling.
Keterangan alat: 1. Mesin driling 2. Generator sinkron 3. Lampu
4. Alat ukur
C. Parameter Yang Diukur
Parameter yang diukur dalam eksperimen ini adalah sebagai berikut: 1. Tegangan terminal keluaran (E)
Pengukuran tegangan terminal keluaran yang dihasilkan oleh generator sinkron menggunakan multimeter. Pengukuran tegangan dilakukan dengan variasi beban dan kecepatan anguler. Cara pengukuran ditunjukan dalam gambar 3.7. E adalah tempat mengukur tegangan terminal keluaran.
Gambar 3.7. Rangkaian ekuivalen pengukuran pada generator.
2. Kecepatan anguler (ω)
Kecepatan anguler (putar) dari perancangan generator sinkron dapat diukur dengan tachometer . Secara umum persamaan yang dapat digunakan untuk memperoleh hasil pengukuran kecepatan anguler adalah . Dimana 2π adalah satu putaran penuh sudut yang ditempuh 3600, dan f adalah frekuensi.
Hasil pengukuran tachometer adalah putaran per menit (nr) sehingga persamaan yang dapat digunakan untuk memperoleh
kecepatan anguler dari hasil pengukuran adalah
nr adalah jumlah rotasi atau putaran permenit 3. Arus ( I )
Arus listrik yang mengalir pada rangkaian diukur menggunakan clamp meter. Cara menempatkan clampmeter pada rangkaian dapat dilihat pada gambar 3.7. Pengukuran arus I pada rangkaian dilakukan setiap melakukan variasi putaran atau beban. Pengukuran menggunakan clampmeter pada gambar 3.8 sebagai berikut :
Gambar 3.8 Pengukuran arus listrik menggunakan clampmeter pada generator sinkron.
4. Beban ( ZL )
Gambar 3.9 Lampu yang digunakan dalam pengkuran.
6. Menentukan jari-jari (r) dan panjang (l) pada generator sinkron Untuk menentukan jari-jari pada generator, diukur dari pusat sampai tengah kumparan dan menentukan panjang penampang lilitan (l) dapat dilihat pada gambar 3.11 pengukuran mewakili ketujuh sisi lainnya, hasil pengukuran dikali dua karena ada dua penampang dalam satu kumparan. Seperti pada gambar 3.10 dan 3.11 berikut:
Gambar 3.11. Menentukan panjang penampang lilitan (l) pada generator sinkron.
Langkah penentuan impedansi (Zs) tanpa menggunakan seng dan menggunakan seng adalah:
1. Alat dirangkai seperti pada gambar 3.4.(b)
2. Multimeter digunakan untuk mengukur tegangan saat rotor berputar konstan.
3. Kecepatan berputar rotor diatur menggunakan mesin drilling dengan variasi kecepatan 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm.
4. Langkah 2-3 dilakukan sebanyak 2 kali.
Langkah penetuan impedansi (Zs) menggunakan lampu, tanpa menggunakan seng dan menggunakan seng adalah:
1. Alat dirangkai seperti pada gambar 3.4. (b)
3. Multimeter digunakan untuk mengukur tegangan saat rotor berputar konstan.
4. Arus yang mengalir melalui kabel diukur dengan Clampmeter (AC). 5. Kecepatan berputar rotor diatur menggunakan mesin drilling dengan
variasi kecepatan 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860 rpm. 6. Langkah 2-5 dilakukan sebanyak 2 kali.
27 BAB. IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian dilaksanakan pada Januari 2015 hingga Juni 2015 di Laboratorium Teknologi Mekanik III Paingan Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penelitian dilakukan dengan melakukan pengukuran arus, tegangan dan kecepatan putar pada generator sinkron tanpa seng dan menggunakan seng. Multimeter yang digunakan dalam pengukuran ini adalah multimeter digital A-830 dengan batas ukur 200 V~, untuk mengukur tegangan yang dihasilkan generator. Clamp meter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan generator dengan batas ukur 20 A. Kecepatan putar rotor pada generator yang dipakai dalam penelitian ini adalah 125, 205, 250, 345, 410, 530, 690 dan 860. A. Hasil Pengukuran Arus dan Tegangan Pada Generator Sinkron
Gambar 4.1. Grafik pengaruh tegangan terhadap arus dari generator sinkron tanpa menggunakan seng luar.
Gambar 4.2. Grafik pengaruh tegangan terhadap arus dari generator sinkron menggunakan seng luar.
tegangan berbanding lurus. Semakin banyak jumlah lampu maka semakin besar pula arus yang dihasilkan. Gambar 4.1 dan 4.2 menunjukan bahwa generator menggunakan seng dan tidak menggunakan seng yang tidak terhubung dengan lampu tidak menghasilkan arus. Bila rangkaian generator dihubungkan dengan lampu, arus akan terlihat pada tegangan tertentu tergantung jumlah lampu dan kecepatan putar yang diberikan. Nilai gradien grafik 4.1 dan 4.2 ditunjukan pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Tabel tahanan total ZL dari gradien grafik pengaruh tegangan
terhadap arus semakin kecil tahanan total yang dihasilkan. Untuk menentukan nilai tahanan total dapat dilihat pada lampiran I.
Gambar 4.3 Grafik pengaruh 1/jumlah lampu terhadap tahanan
Grafik 4.3 menunjukan bahwa semakin banyak jumlah lampu yang dipasang maka semakin kecil tahanan lampu yang dihasilkan.
B. Hasil Pengukuran Putaran (n) dan Tegangan (volt) Pada Generator Sinkron
Penelitian dilakukan pada generator sinkron. Data yang diperoleh untuk putaran (n) yaitu , kecepatan putaran (rpm) pada mesin driling. Data yang diperoleh dilampirkan pada lampiran IV. Data dari lampiran IV dianalisa dalam bentuk grafik pengaruh putaran terhadap tegangan pada gambar 4.4 dan 4.5
Gambar 4.4. Grafik pengaruh putaran terhadap tegangan dari generator sinkron tidak menggunakan seng luar.
Gambar 4.5. Grafik pengaruh putaran terhadap tegangan dari generator sinkron menggunakan seng luar.
Gambar 4.4 dan 4.5 menunjukan bahwa semakin besar putaran (rpm) tegangan yang dihasilkan semakin besar. Pada setiap pertambahan lampu tegangan semakin kecil pada setiap putaran. Dari grafik 4.3 dan 4.4 pengaruh mengunakan seng dan tidak menggunakan seng yaitu, gradien dengan menggunakan seng 0,0037 dan tanpa seng 0,0016.
C. Hasil Pengukuran Tegangan (V) dan Perhitungan Kecepatan Anguler (ω) Pada Generator Sinkron
Data yang diperoleh untuk tegangan (V) pada generator sinkron dan kecepatan anguler dari perhitungan. Untuk data kecepatan anguler (ω) menggunakan persamaan (3.1) data yang diperoleh dilampirkan pada lampiran IV. Data dari tabel (lampiran IV) dianalisa dalam bentuk grafik pengaruh putaran terhadap tegangan pada gambar 4.6 dan 4.7
Gambar 4.6. Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari generator sinkron tanpa menggunakan seng luar.
Gambar 4.7. Grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari generator sinkron menggunakan seng luar.
Gambar 4.6 dan 4.7 menunjukan bahwa semakin besar kecepatan anguler (ω) tagangan (V) yang dihasilkan semakin besar. Sebaliknya semakin banyak lampu yang digunakan semakin kecil tegangan dengan kecepatan anguler yang sama. Gradien dari grafik pengaruh kecepatan anguler terhadap tegangan dari
generator sinkron digunakan untuk menentukan rapat rapat medan magnetik (B). Perbandingan tegangan yang dihasilkan antara memakai seng dan tidak memakai seng 0,0351 Wb : 0,0156 Wb. Pengaruh seng sebesar 2,25 Wb. Data perhitungan rapat rapat medan magnetik ditunjukan pada tabel 4.2.
Tabel 4.2. Tabel rapat rapat medan magnetik (B) dari grafik pengaruh kecepatan
anguler ( ) terhadap tegangan (V).
No Tanpa Seng semakin kecil rapat medan magnetik (B) yang dihasilkan. Rapat medan magnetik berpengaruh terhadap banyaknya lampu yang dihubungkan dapat dilahat dari tabel 4.2 semakin banyak lampu maka semakin kecil nilai rapat medan magnetik. Pengukuran untuk menentukan nilai rapat medan magnetik (B) dapat dilihat pada lampiran II.
D. Nilai tegangan reaktansi Ex
kecepatan 125-250 rpm nilai arus yang dihasilkan sangat kecil. Untuk menentukan tegangan reaktansi dapat dilihat pada lampiran III A.
Tabel 4.3. Data perhitungan nilai tegangan reaktansi Ex pada generator sinkron
Tabel 4.4. Data perhitungan nilai arus I pada generator sinkron
F. Impedansi dari generator sinkron
penghantar, sehingga dapat dilihat semakin tinggi kecepatan generator maka impedansinya semakin kecil sesuai dengan persamaan (2.3).
Tabel 4.5. Data perhitungan nilai impedansi pada generator sinkron
No
Dari grafik 4.8, penurunan nilai impedansi yang dihasilkan oleh generator sinkron tidak linier atau penurunan nilai impedansi tidak sama pada setiap kecepatan generator. Contoh pada kecepatan 410 rpm, penurunan impedansi sebesar 8,39 (60,35 -51,96 ) dari kecepatan 345 rpm, pada kecepatan 530 rpm penurunan impedansi sebesar 20,35 (51,96 -31,61 ) dari kecepatan 410 rpm, pada kecepatan 690 rpm penurunan impedansi sebesar 7,64 (31,61 -23,97 ) dari kecepatan 530 rpm, dan pada kecepatan 860 rpm penurunan impedansi sebesar 4 (23,97 -19,1 ) dari kecepatan 690 rpm. Hal ini menunjukkan proses penurunan nilai impedansi semakin kecil dibandingkan penurunan pada kecepatan sebelumnya. Pada kecepatan 410 rpm sampai 530 rpm terjadi penurunan nilai impedansi sangat besar dikarenakan penambahan kecepatan sebesar 120 rpm sedangkan pada kecepatan 345 rpm sampai 410 rpm
38 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat di simpulkan bahwa :
1. Generator sinkron berbahan akrilik, didesain menggunakan coreldraw x5 telah berhasil dibuat, bentuk prisma segi delapan dengan 8 kumparan, delapan buah magnet dan 800 lilitan.
2. Dalam proses pengukuran rapat mendan magnetik B menggunakan 4 lampu menunjukan bahwa semakin banyak lampu yang digunakan adalah
8,3858x10-3, 6,2659x10-3, 4,4890x10-3, 3,3356x10-3 tesla. Nilai B pada generator sinkron tanpa menggunakan lampu adalah 20x10-3 tesla.
3. Dalam proses pengukuran, impedansi pada generator sinkron nilai impedansi dari generator sinkron pada kecepatan 345 rpm (60,35 ), kecepatan 410 rpm (51,96 ), kecepatan 530 rpm (31,61 ), kecepatan 690 rpm
(23,97 ), kecepatan 860 rpm (19,1 ). Nilai impedansi menunjukkan bahwa dalam proses putaran impedansi mengalami penurunan setiap penambahan kecepatan putaran. Penurunan impedansi tersebut sesuai dengan persamaan (2.3).
B. Saran
40
DAFTAR PUSTAKA
Fitzgerald, A.E., dkk. 1985. Dasar-Dasar Elektroteknik (edisi 5 jilid 2). Jakarta: Erlangga.
Hariyotejo, P., dkk. 2009. Pengembangan Generator Mini dengan Menggunakan Magnet Permanen. Universitas Indonesia: Teknik Mesin Pasca Sarjanan. Hasibuan, Hanri.A.M dan Hasibuan, A.R. 2013. “Analisa Perbandingan Metode
Impedansi Sinkron, Amper Lilit Dan Segitiga Potier Dalam Menentukan Regulasi Tegangan Generator Sinkron Dengan Pembebanan Resistif, Induktif Dan Kapasitif”, DTE FT USU, VOL.1NO.3/Maret2013.
Kemmerly, J.E., dkk. 2005. Rangkaian Listrik (edisi ke 6 jilid 1). Jakarta: Erlangga.
Magcraft. 2007. Permanen Magnet Selection And Design Handbook: Advanced Magnetic Materials. U.S.A: National Imports LLC.
Prasetyadi, A. 2012. Generator Axsial Magnet Permannen ND-35. Universitas Sanata Dharma : SAINTEK.
Tipler, Paul A. 2001. Fisika untuk sains dan teknik (edisi 3 jilid 2). Jakarta : Erlangga.
LAMPIRAN
I. Perhitungan Tahanan Total dan Kecepatan Anguler II. Perhitungan Rapat Medan Magnetik
Lampiran I
Perhitungan Tahanan Total dan Kecepatan Anguler Menentukan nilai tahanan total (ZL):
Keterangan Gradien/
Menentukan kecepatan anguler ( ):
No n (rpm)
Mencari R pakai seng: Mencari R tidak pakai seng:
Lampiran II
Perhitungan Rapat Medan Magnetik Menentukan Nilai B :
No Tanpa Seng (gradien) Vs
B (T)
Lampu Pakai Seng (gradien) (Vs)
Tanpa mengunakan seng luar:
Lampiran III
Perhitungan Tegangan Reaktansi, Arus dan Impedansi A. Mentukan nilai Ex:
No N (rpm) E (Volt) E0 (volt) Ex
Contoh perhitungan tegangan raktansi pada kecepatan 345 rpm :
B. Menentukan nilai arus melalui perhitungan:
Contoh perhitungan arus pada kecepatan 345 rpm :
C. Menentukan nilai impedansi :
Conroh perhitungan pada kecepatan 345 rpm :
=44,44
=50
=87,37
Lampiran IV
Hasil Pengukuran Generator Sinkron Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 08:00-10:00
Keterangan : Tanpa Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
1 133,4 125 0 13,08 0
Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 08:00-10:00
Keterangan : Tanpa Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 10:00-14:00
Keterangan : Pakai Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 10:00-14:00
Keterangan : Pakai Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 10:00-14:00
Keterangan : Pakai Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 10:00-14:00
Keterangan : Pakai Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
Pngambilan data : 22 April 2015 Waktu : 10:00-14:00
Keterangan : Pakai Seng Tempat :
No (rpm) V (Volt) I
(Ampere)
Lampu
Tachometer M.D Jumlah Keterangan
