its-paper-19504-4207100067-paper

SIMULASI PENGGUNAAN SUPER KONDUKTOR PADA GENERATOR DI KAPAL GUNA MENINGKATKAN EFFISIENSI

Angga Wahyu Saputra1) ,Sardono Sarwito2) , Indra Ranu Kusuma2)

1)Mahasiwa: JurusanTeknikSistemPerkapalan, FTK-ITS 2)DosenPembimbing :JurusanTeknikSistemPerkapalan, FTK-ITS

E-Mail : [email protected]

ABSTRACT

Super conductor are a special material. So, that the conductor is analogous to electrical resistance is zero. That is, electrical current can flow do not generate heat. Super conducting applications use one of them is applied in the main construction generator, namely rotor part ( rotating part ).

The purpose of this final project to hope with the same power output for super conducting generators will be smaller dimensions, lighter and more efficiency. To help realize the goal of this final project will require software SolidWork. Using the software makes it easy SolidWork in the form of simulations and analyze the rotor so that it can be resolved into a form that is simple,concise, easy to understand and easy to understand. Key Word : Generator, Rotor, Super conductor, SolidWork,

Efficiency. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi yang serba canggih sangat berpengaruh terhadap kehidupan manusia. Manusia selalu berlomba – lomba untuk mencari inovasi – inovasi yang serba canggih. Inovasi – inovasi yang dihasilkan ada yang berupa software CAD, seperti software SolidWork 2008 dan ada juga berupa peralatan elektronik. Dengan adanya inovasi – inovasi dan pemikiran yang tinggi menciptakan ide – ide untuk mengatasi permasalahan yang mungkin terjadi pada peralatan elektronik diantaranya dalam bentuk panas. Peralatan – peralatan elektronik pada nyatanya mempergunakan bahan konduktor seperti tembaga sebagai bahan penghantar arus listrik meskipun begitu pada kenyataannya konduktor ini masih mempunyai hambatan listrik. Dengan adanya hambatan ini menyebabkan hilangnya energi listrik dalam bentuk panas. Dengan adanya permasalahan dalam bentuk panas sehingga menimbulkan pemikiran – pemikiran yang baru dan tinggi sehingga menimbulkan ide yang cemerlang untuk mengatasi panas. Ide penemuan bahan tersebut diberi nama superkonduktor. Pada bahan superkonduktor hambatan listrik dianalogikan bernilai nol. Artinya, arus listrik dapat mengalir tanpa hambatan pada bahan superkonduktor sehingga arus yang mengalir tidak menimbulkan panas. Dengan adanya penemuan bahan superkonduktor ini akhirnya di aplikasikan di kehidupan sehari – hari salah satunya diaplikasikan pada generator di kapal terutama di bagian rotornya ( bagian yang berputar ) bentuk software, seperti CAD SolidWork 2008 dalam bentuk simulasi dan analisis. Terciptanya software CAD untuk mempermudah dalam melakukan simulasi dan menganalisa suatu permasalahan yang kompleks dalam kehidupan manusia sehingga permasalahan yang kompleks tersebut dapat di terjemahkan dan diselesaikan dalam bentuk yang sederhana, ringkas, mudah dimengerti dan mudah dipahami.

Perumusan Masalah Berdasarkan uraian diatas, dapat diambil perumusan masalah dalam skripsi ini yaitu, melakukan pemodelan simulasi dan analisa terhadap komponen utama pada konstruksi generator; keunggulan pemakaian generator superkonduktor dengan generator konvensional. Batasan Masalah Adapun batasan masalah dalam skripsi ini adalah sebagai berikut : konstruksi komponen utama generator, yaitu komponen rotor ( bagian yang berputar ) di kumparan jangkar pada kapal penumpang, menggunakan software CAD SolidWork 2008, mempergunakan analisa cosmosems magnetostatik SolidWork 2008. Tujuan Penulisan Tujuan dari penulisan skripsi ini adalah untuk mengetahui perbedaan generator konvensional dengan generator superkonduktor serta mengetahui besarnya effisiensi energi dari penggunaan bahan superkonduktor. Luaran yang Diharapkan Luaran yang diharapakan dari penulisan skripsi ini adalah dengan menggunakan superkonduktor dapat meningkatkan effisiensi sehingga energinya tidak terbuang dalam bentuk panas, dengan menggunakan bahan superkonduktor pada generator diharapkan dengan daya keluaran yang sama untuk generator superkonduktor akan berdimensi lebih kecil, lebih ringan dan lebih effisiensi daripada generator konvensional, dengan mempergunakan software CAD SolidWOrk memudahkan dalam bentuk simulasi dan menganalisanya suatu permasalahan yang kompleks sehingga permasalahan tersebut dapat diselesaikan dalam bentuk yang sederhana, ringkas, mudah dimengerti dan mudah dipahami. TINJAUAN PUSTAKA Software SolidWork 2008 Perkembangan dunia teknologi saat ini sedemikian cepatnya, hal ini diikuti dengan munculnya berbagai macam software untuk mendukung kegiatan di sektor tersebut seperti SolidWork 2008. Dengan mempergunakan software SolidWork akan menemukan beberapa kemudahan mulai dari desain produk mulai dari menggambar sket, menggambar 2D, 3D dan membuat gambar assembling. SolidWorks merupakan sebuah software computer – aided design ( CAD ) 3D yang mudah dioperasikan yang menyediakan solusi komprehensif untuk analisis pola stress, frekuensi, tekuk, serta panas . Software ini lebih sederhana dibandingkan dengan software CATIA yang sudah lebih dulu dikenal. Software ini menggunakan platform Microsoft Windows yang dikembangkan oleh SolidWorks Corporation yang merupakan anak perusahaan dari Dassault System, S.A.

SolidWork merupakan software penting yang mulai banyak digunakan pada teknologi saat ini, selain digunakan untuk menggambar komponen 3D, SolidWork juga bisa dipergunakan untuk mendapatkan gambar 2D dari komponen tersebut dan bisa dikonversi ke format *.dwg yang dapat dijalankan pada software AutoCad.

Proses Pengerjaan SolidWork 2008. Proses pengerjaan software SolidWork 2008 ini sangatlah mudah untuk dioperasikannya. Ada 3 proses untuk melaksanakan pengerjaan ini diantaranya : part, assembling, dan drawing. Part merupakan salah satu proses awal pengerjaan komponen yang akan direncanakan diantaranya mengukur dimensi panjang, lebar dan ketebalan komponen tersebut. Assembling merupakan salah satu proses dari merakitnya komponen satu dengan komponen yang lainnya. Drawing merupakan salah satu proses mensketsa komponen.

Gambar 1. New SolidWork Document. Perencanaan Pengerjaan SolidWork 2008

Perencanaan pengerjaan software SolidWork 2008 sangatlah mudah dalam membuat komponen, merakit, simulasi serta menganalisanya. Adapun kalau memenuhi kendala maka di software SolidWork 2008 itu telah menyediakan tutorial nya sehingga untuk mempermudah pencapaian dalam melakukan perencanaannya. Perencanaan pengerjaan ini untuk mengerjakan konstruksi utama generator seperti, rotor ( bagian yang berputar ) . Untuk memudahkan dalam pengerjaannya maka sebelumnya kita harus tahu dulu fungsi dari tiap – tiap ikon seperti line, circle, trim,extend,extrude boss / base. serta manfaat dari tiap – tiap tipe simulasi supaya lebih mengerti cara kerja komponen yang sesuai dengan perencanaan kita. Setelah itu, tahap selanjutnya adalah menganalisa komponen. Hal ini dimaksudkan supaya lebih mudah untuk mengetahui tentang kesesuaian yang akan direncanakan. Ikon line berfungsi untuk membuat garis baik secara vertical maupun secara horizontal, icon circle untuk membuat lingkaran, icon trim berguna untuk memotong, icon extend berguna untuk meneruskan garis yang belum tersampaikan, serta icon extrude boss / base untuk membuat ketebalan.

Gambar 2. Icon – Icon Utama.

Macam – macam analisa Cosmosems software SolidWork 2008 ada 5 macam,yaitu :

1. Magnetostatik. 2. Elektrostatic. 3. Electric Conduction. 4. AC Magnetic. 5. Transient Magnetic.

Dalam proses pengerjaan skripsi ini mempergunakan analisa

magnetostatik. Hal ini dikarenakan pengaplikasian yang diterapkan sesuai dengan yang direncanakan serta untuk membatasi permasalahan yang akan direncanakan.

1. Cosmosems Magnetostatik.

Analisa magnetostatik ini dikhususkan untuk mesin DC, motor, actuator, generator. Akan tetapi sesuai dengan perencananaan tugas akhir ini maka yang akan di bahas adalah generator terutama komponen utamanya, yaitu rotor. Analisa magnetostatik ini dipergunakan untuk menghitung medan magnet yang di hasilkan dari magnet yang bersifat permanen yang ada di komponen rotor dan stator serta dari sumber tegangan. Medan magnet ini yang di analisa berupa garis gaya magnet ( fluks ), torsi, gaya, serta induktansi.

Gambar 3. Cosmosems Magnetostatik..

Generator Konvensional Generator konvensional merupakan suatu sistem yang menghasilkan tenaga listrik dengan masukan tenaga mekanik . Jadi, generator berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik yang prinsip kerjanya adalah rotor diputar maka belitan kawatnya akan memotong gaya-gaya magnet pada kutub magnet sehingga terjadi perbedaan tegangan yang mengakibatkan timbullah arus listrik yang melalui kabel atau kawat tembaga yang ke dua ujungnya dihubungkan dengan cincin geser. Pada cincin-cincin tersebut menggeser sikat-sikat sebagai terminal penghubung keluarannya ( Output ). Komponen Utama Generator Bagian generator yang utama, yaitu rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang berputar yang terdiri dari poros, inti, kumparan, cincin geser, dan sikat – sikat. Sedangkan stator merupakan bagian yang tidak berputar yang terdiri dari rangka dan kutub. Rangka merupakan bagian terluar dari generator yang berfungsi sebagai tempat menempelnya kutub utama dan komutator serta sebagai jalannya mengalirnya fluks magnetik yang dihasilkan kutub utama. Kutub utama terbuat dari laminasi – laminasi besi setebal 0,25 – 1 mm yang terdiri dari bagian inti kutub dan sepatu kutub. Inti kutub terbuat dari lembaran - lembaran besi tuang atau baja tuang yang berfungsi untuk menyebarkan fluksi magnetis di daerah celah udara dan kumparan jangkar.

Proses awal analisa magnetostatik

Komutator terbuat dari segmen – segmen tembaga yang dikeraskan. Bentuk dari komutator adalah berupa silinder dimana tiap – tiap segmen dipisahkan oleh ( Mica ). Jumlah segmen komutator sama dengan jumlah belitan kumparan jangkar. Lilitan stator terdiri atas beberapa kumparan, yang dipasang dalam alur-alur inti stator. Tiap-tiap kumparan terdiri atas satu atau lebih lilitan menurut besar tegangan. Sedangkan sikat terbuat dari karbon , grafit , logam grafit atau campuran karbon – grafit yang dilengkapi pegas penekan dan kotak sikatnya. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan. Fungsi sikat adalah menyalurkan arus searah dari komutator ke beban. Jumlah sikat tergantung dari besar arus yang disalurkan. Perencanaan Generator Konvensional

Dalam melakukan perencanaan maka yang perlu direncanakan berkaitan dengan masalah konstruksi utama generator yaitu, rotor dan stator. Hubungan antara poles dengan putaran pada saat generator dioperasikan di frekuensi 60 Hz

Tabel 1. Hubungan poles dengan putaran frekuensi.

Keterangan : Pada tabel 1 dapat dijelaskan bahwa banyak atau sedikitnya putaran yang dihasilkan sangat bergantung pada jumlah kutubnya ( poles ). Semakin besar putaran yang dihasilkan maka mengakibatkan jumlah kutubnya semakin kecil. Apabila semakin banyak kutubnya ( poles ) maka mengakibatkan putaran yang dihasilkan semakin kecil. Selain menggunakan tabel 1 cara lain untuk menghitung besarnya jumlah kutub apabila dioperasikan pada frekuensi 60 Hz dapat dijabarkan dengan menggunakan perumusan sebagai berikut :

…….............................. ( 1 ).

Keterangan : n = Kecepatan putaran ( Rpm ). f = Frekuensi ( Hz ). p = Jumlah kutub.

Faktor distribusi ( K ) diperlukan karena kumparan jangkar yang tidak terletak didalam satu slot melainkan terdistribusi dalam beberapa slot perfasa nya. Keunggulan kumparan yang terdistribusi ini, yaitu menurunkan kebisingan pada saat berjalan normal dan akan memperbaiki torsi pada saat start awal. Besarnya faktor distribusi ini dapat dijabarkan dengan menggunakan perumusan sebagai berikut :

………………...…...…..( 2 ).

Keterangan : ns = Jumlah slot perkutub. β = Lebar slot dalam derajat listrik ( oL).

( Sumber : I Wayan Lingga ).

Menentukan besarnya jumlah slot perkutub dapat dijabarkan dengan menggunakan perumusan sebagai berikut :

….……...…..………….( 3 ).

Keterangan : s = Jumlah slot. m = Jumlah fasa. p = Jumlah kutub.

( Sumber : I Wayan Lingga ). Besarnya faktor distribusi dapat juga dilihat pada tabel

Tabel 2. Faktor Distribusi.

Keterangan :

Pada tabel 2. dapat dijelaskan bahwa semakin besar pelebaran slot nya ( oL ) maka mengakibatkan jumlah slot perkutubnya semakin kecil serta menyebabkan terdistribusinya semakin besar. Dalam prakteknya lebar kumparan antara 80 % sampai 100 % dari lebar kutub. Artinya, lebar kumparan biasanya dibuat lebih kecil daripada lebar kutub. Hal ini difungsikan untuk mengurangi panjangnya penghantar ( mengurangi pemakaian tembaga ) dan memperbaiki terdistribusinya fluks dalam celah udara. Lebar kumparan yang lebih pendek akan mengurangi biaya dan mengurangi berat kumparan. Lebar masing – masing kumparan ( coil ) disebut coil pitch. Apabila dalam perencanaanya memiliki 4 kutub ( poles ) tiga fasa maka semestinya dalam perencanaan itu memiliki 12 grup fasa. satu grup mempunyai paling sedikit satu kumparan berarti jumlah minimum kumparan sama dengan jumlah grup. Artinya, apabila perencanaanya memiliki 12 grup ( 12 slot ) maka memiliki jumlah minimum kumparan sebanyak 12. Menentukan besarnya nilai faktor kependekan ( Pitch Factor ) yang mempunyai slot perkutub mulai dari 3 sampai 15 dan coil span ( γ ) dari 180oL – 120oL dapat dilihat di tabel dibawah 3.

Tabel 3. Nilai Faktor Kependekan.

Menentukan besarnya jumlah alur stator dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

…………..…………….( 4 ).

Keterangan : m = Fasa ( 3 fasa ). p = Jumlah kutub. qs = Jumlah alur perfasa.

Menentukan besarnya diameter rotor dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

…………….………..…( 5 ).

Keterangan : v = Kecepatan putar sekeliling rotor ( fpm ) sebesar 15000. π = Phi ( 3,14 ).


Menentukan besarnya lebar tiap – tiap kutub ( pole pitch ) dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

…….……….…….….( 6 ).

Keterangan : τ = Lebar tiap – tiap kutub (Pole pitch) . p = Jumlah kutub. π = Phi ( 3,14 ).


Pada perumusan ( 6 ) dapat dikaitkan hubungan antara jumlah kutub dengan lebar tiap - tiap kutub ( pole pitch ). Semakin banyak jumlah kutubnya maka menyebabkan semakin dekat lebar tiap – tiap kutubnya. Apabila semakin sedikit jumlah kutubnya maka menyebabkan semakin besar jarak lebar tiap – tiap kutubnya.

Menghitung arus beban penuh perfase ( Ic ) dapat

diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

…………………………………………( 7 ).

Keterangan : W = Daya ( watt ). η = Effisiensi. Eph = Faktor kerja beban penuh.


Menghitung beban spesifik ( q ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

……………………………..( 8 ).

Ic = Arus beban penuh perfasa. p = Jumlah poles.

λ = Slot Pitch. ( Sumber : I Wayan Lingga ).

Besarnya fluks perkutub dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

……….….…...……….( 9 ).

Keterangan :

Φ = Fluks per kutub ( Maxwell ). V = Tegangan ( volt ). d = K x K’. f = Frekuensi ( Hz ). Zs = Jumlah alur per fasa.

( Sumber : I Wayan Lingga ). Untuk kerapatan arus pada kumparan jangkar berkisar antara 2000 sampai dengan 35000 A/in2. Kerapatan arus yaitu besarnya arus listrik yang mengalir tiap luasan penampang. Secara umum penentuan kerapatan arus jangkar dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

.………..………..…..( 10).

Keterangan : Δ = Kerapatan arus jangkar. k = Berkisar antara 100 000 – 700 000. q = Beban. v = Kecepatan peripheral.


Dalam menentukan ukuran konduktor kita harus mempertimbangkan besarnya rugi – rugi yang ditimbulkan. Menentukan besarnya rugi – rugi tembaga jangkar dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

……………….……....( 11 ).

Keterangan :

Wα = Rugi tembaga jangkar.

I = Arus kumparan jangkar. Rα = Tahanan kumparan jangkar.


Menentukan besarnya tahanan kumparan jangkar dapat dijabarkan dengan perumusan sebagai berikut :

……........………….( 12 ). Keterangan :

R = nilai hambatan konduktor sebesar 0,0021. ( Sumber : I Wayan Lingga ).

Selain kerugian tembaga jangkar terdapat juga kerugian

mekanis eksitasi ini tergantung dari besarnya rotor ( bagian yang berputar ).yang berupa kerugian gesekan poros, kerugian aliran beban pendingin serta kerugian eksitasi.

Generator Superkonduktor. Sebelum membahas tentang pengertian generator superkonduktor maka seharusnya terlebih dahulu memahami dan mengerti tentang superkonduktor itu. Superkonduktor yaitu suatu bahan konduktor yang istimewa. Hal ini dikarenakan bahan ini bisa menghantarkan listrik dengan sempurna. Bahan ini mempunyai resistensi yang dianalogikan bernilai nol pada suhu yang sangat rendah sehingga bisa menghantarkan arus listrik tanpa mengalami kerugian daya

px Iq c

sedikitpun bahkan kawat superkonduktor tidak akan menjadi panas dengan lewatnya arus listrik. Dengan bahan superkonduktor maka bisa dibuat peralatan – peralatan yang ukurannya hanya 1/10 ukuran sekarang dan mempunyai daya 10 kali lebih besar. Untuk melihat nilai resistivitas suatu bahan dapat dilihat pada tabel Selain kerugian tembaga jangkar terdapat juga kerugian mekanis yang berupa kerugian gesekan poros, kerugian aliran beban pendingin serta kerugian eksitasi. Besarnya kerugian eksitasi ini tergantung dari besarnya rotor ( bagian yang berputar ).

Tabel 4. Menunjukkan nilai resistivitas bahan.

Pada gambar 5 merupakan tingkatan – tingkatan

konduktivitas bahan yang terjadi dilingkungan sekitar.

Gambar 5. Tingkatan – Tingkatan Konduktivitas. Generator superkonduktor merupakan sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik dengan menghubungkan bahan superkonduktor di kumparan jangkar dan medannya. Suatu bahan berperilaku superkonduktif apabila bahan tersebut berada di bawah suhu kritis ( Tc ). Suatu bahan berperilaku dalam keadaan normal apabila berada di atas suhu kritis ( Tc ) yang mempunyai nilai resistivitas listrik. Tc merupakan suhu kritis, yaitu suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor.

Gambar 6. Grafik Resistivitas Terhadap Fungsi Suhu. Tinggi rendahnya suhu transisi suhu kritis ( Tc ) dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor – faktor itu adalah adanya tekanan dan medan magnet yang cukup kuat. Dengan adanya bertambahnya penemuan bahan superkonduktor tiap tahunnya mengakibatkan timbulnya bahan – bahan superkonduktor yang baru dengan suhu kritis yang berubah juga. Suatu medan magnet yang mempunyai pengaruh terhadap suhu kritis ( Tc ) yang menyebabkan hilangnya suatu konduktivitas superkonduktor disebut medan kritis ( Hc ). Apabila medan magnetnya bernilai kecil ( < Hc ) mengakibatkan terjadinya efek meissner dan apabila medan magnetnya bernilai besar ( > Hc ) mengakibatkan superkonduktivitas bahan akan hilang. Pada superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan magnet sehingga medan magnet itu tidak dapat menembus bahan superkonduktor. Fenomena ini dikenal dengan efek meissner

Gambar 7. Fenomena Efek Meissner. Efek meissner yang semakin kuat mengakibatkan sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.

(Ismunandar dan Cun Sen ,Kimia – ITB). Tipe – Tipe Superkonduktor.

Ada 2 macam tipe superkonduktor, yaitu :

1. Superkonduktor tipe 1.

Superkonduktor tipe 1 ini mempunyai harga medan magnet ( < Hc ) yang cukup kecil yang menyebabkan terjadinya efek meissner. Apabila harga medan magnet ( > Hc ) tinggi maka superkonduktifitas nya hilang. Hal ini terlihat pada gambar 12.

Gambar 8. Grafik Superkonduktor Tipe I..

Superkonduktor yang digolongkan dalam tipe I

digolongkan dalam logam murni seperti pada tabel 6.

Tabel 6.Superkonduktor Tipe I.

2. Superkonduktor tipe 2.

Superkonduktor tipe 2 ini mempunyai 3 nilai medan kritis ( Bc1 dan Bc2 ). Apabila nilai medan kritis nya cukup kecil ( < Bc1 ) maka akan bersifat sama seperti sifat superkonduktor tipe 1. Apabila nilai medan kritis nya tinggi ( > Bc2 ) maka sifat superkonduktifitas nya akan hilang. Apabila nilai medan kritis nya mempunyai kisaran antara Bc1 < B < Bc2 maka menimbulkan efek meisnerr parsial.

Gambar 9. Grafik Superkonduktor Tipe II. Superkonduktor yang digolongkan dalam tipe II adalah superkonduktor yang memiliki Tc lebih tinggi dan berbentuk senyawa seperti pada tabel 7.

Tabel 7 Superkonduktor Tipe II.

Kelompok Superkonduktor. Berdasarkan nilai suhu kritisnya, superkonduktor dikelompokkan menjadi 2 kelompok, yaitu :

1. Superkonduktor bersuhu kritis rendah. Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis yang lebih

kecil dari 23 K. Superkonduktor jenis ini sudah ditinggalkan dikarenakan biaya yang mahal untuk mendinginkan bahan.

2. Superkonduktor bersuhu kritis tinggi. Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih besar

dari 78 K. Superkonduktor jenis ini merupakan bahan yang sedang dikembangkan sehingga diharapkan memperoleh superkonduktor pada suhu kamar sehingga lebih ekonomis. Suhu Pemadaman. Suhu pemadaman merupakan batas suhu untuk merusak sifat superkonduktor. Artinya, pada suhu ini sifat superkonduktor akan rusak. Pada gambar 14 merupakan suhu pemadaman untuk bahan superkonduktor.

Gambar 10. Grafik Suhu Pemadaman.

Pada gambar 14 dapat dilihat bahwa makin tinggi suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor maka struktur kristal superkonduktor tidak lagi berbentuk ortorombik. Maka dengan adanya perubahan struktur kristal superkonduktor mengakibatkan bahan tersebut akan kehilangan sifat superkonduktornya. Perencanaan Generator Superkonduktor.

Prinsip generator superkonduktor berbeda dengan generator konvensional. Generator merupakan alat yang sangat penting dalam menyediakan daya listrik. Generator superkonduktor merupakan bahan yang memiliki resistensi yang sangat kecil ( mendekati nol ). Generator superkonduktor ini memiliki effisiensi sebesar 99 persen dan ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Perencanaan generator superkonduktor ini mempergunakan bahan yang berbentuk komposit yang terdiri dari serat – serat superkonduktor yang berukuran μm dan saling dipuntir yang kemudian direkatkan bersama sehingga membentuk matriks logam. Jenis bahan superkonduktor ini menggunakan bahan Nb3Sn dikarenakan mempunyai arus kerja yang lebih tinggi serta kekuatannya dan medan magnet yang lebih besar sehingga akan meningkatkan kemampuan konduktor terhadap pengaruh suhu dan

medan magnet. Panduan konduktor , kumparan dan perencanaan sistem pendingin haruslah dapat memastikan bahwa dalam kondisi terburuk kumparan jangkar akan tetap dalam keadaan superkonduktif tanpa mempengaruhi bagian kumparan yang lain. Kerapatan fluks pada generator superkonduktor ini diharapkan dapat berada dibawah kerapatan fluks jenuh supaya dapat menggunakan inti yang kecil diameternya. Dalam pengaplikasian superkonduktor pada generator diperlukan adanya sistem pendingin yang sesuai dan mampu menjamin superkonduktifitas bahan. Untuk itu dalam sistem pendingin ini menggunakan cryogen yang kemudian disebut dengan cryogen sistem. Adapun yang termasuk dalam cryogenic, yaitu : Helium, neon dan nitrogen. Pertimbangan digunakannya helium sebagai cryogenic ini dikarenakan unsur tersebut mempunyai boiling point yang rendah . Beberapa sifat dari cryogenic dapat dilihat pada tabel 8.

Tabel 8. Bahan – Bahan Cryogenic.

METODOLOGI

Gambar 11. Diagram Alur. Identifikasi Dan Perumusan Masalah Penulisan skripsi ini dimulai dengan mengidentifikasi dan merumuskan masalah mengenai pengerjaan yang akan dilakukan dan juga batasan masalahnya. Hal ini dilakukan untuk menyederhanakan masalah sehingga memudahkan pengerjaan dan penyelesaian penulisan skripsi ini. Studi Literatur Studi literatur dilakukan dalam bentuk pengumpulan referensi-referensi guna mempermudah dan menambah wawasan pengetahuan tentang skripsi ini yang berkaitan tentang definisi generator konvensional, konstruksi generator konvensional yang meliputi konstruksi utama dari generator seperti rotor dan stator, definisi generator superkonduktor serta software solidwork sebagai software

Mulai

Studi Literatur

Ruang baca perpustakaan FTK – ITS.Perpustakaan pusat ITS.

Literatur internet .

Perhitungan generator konvensional dengan generator superkonduktor pada rotor di kumparan jangkar.

Perhitungan Generator

Konvensiona .

partSimulasi

Nilai Effisiensi

Analisa data dan Pembahasan

Kesimpulan dan saran

Selesai

Text bookInternetSkripsiArtikel

Assembling

Perhitungan Generator

Superkonduktor.

CAD 3D dan simulasi. Literatur-literatur tersebut didapatkan dari : text book, internet, artikel, paper, skripsi. Pengumpulan Data Data yang dibutuhkan untuk studi ini adalah data tipe kapal sebagai acuan modifikasi dari pelaksana perhitungan. Data yang diambil meliputi : tipe kapal, yaitu kapal penumpang, spesifikasi generator. Pengerjaan Simulasi SolidWork 2008. Proses pengerjaan software SolidWork ini sangatlah mudah untuk dioperasikannya. Ada 3 proses untuk melaksanakan pengerjaan ini diantaranya : part, assembling, dan drawing. Part merupakan salah satu proses awal pengerjaan komponen yang akan direncanakan diantaranya mengukur dimensi panjang, lebar dan ketebalan komponen tersebut. Assembling merupakan salah satu proses dari merakitnya komponen satu dengan komponen yang lainnya. Untuk menghubungkan komponen yang satu dengan komponen lainnya mempergunakan perintah “Mate” yang terletak di atas toolbars. PEMBAHASAN

Berikut ini adalah data perancanaan spesifikasi dari generator caterpillar pada kapal penumpang dengan spesifikasi sebagai berikut :

Daya ( W ) : 225 Kw. Tegangan ( V ) : 400 Volt. Jumlah fasa ( m ) : 3. Frekuensi ( f ) : 60 Hz. Putaran ( n ) : 1800 Rpm. Effisiensi ( η ) : 80 %. Faktor kerja beban penuh ( Eph ) : 0,75.

Perhitungan Detail.

Dari data perancangan itu akan dibahas dalam perhitungan 2 kategori, yaitu :

1. Perhitungan konduktor konvensional. 2. Perhitungan superkonduktor.

Perhitungan Konduktor Konvensional. Menghitung kutub ( p ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai

berikut :

Pada perencanaan ini menggunakan kecepatan putarnya ( v )

sebesar 15000 fpm ( feet per minute ).

( Sumber : I Wayan Lingga ). Menghitung diameter rotor dapat diselesaikan dengan cara

sebagai berikut :


Dalam perencanaan ini jumlah alur per fasa nya diambil ( qs = 3 ) , sehingga untuk mencari jumlah alur stator ( Zs ) adalah :

( Sumber : Bahan Kuliah Perencanaan Mesin ). Faktor distribusi diperlukan karena kumparan jangkarnya tidak

terletak didalam satu slot melainkan terdistribusi dalam beberapa slot per fasanya. Sehingga besarnya faktor distribusi ini dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :


Menentukan besarnya faktor distribusi untuk kumparan 3 fasa.

Dapat dilihat pada tabel 9

Tabel 9 Faktor Distribusi. ( Sumber : I Wayan Lingga ).

Apabila faktor distribusi ( K ) sebesar 1 maka lebar slot ( β )

sebesar 60 sehingga jumlah slot perkutub nya sebesar 3 ( lihat tabel 10 ).

Apabila jumlah slot perkutubnya sebesar 3 maka langkah

selanjutnya adalah menentukan coil span. Untuk menentukan coil span ( γ ) ( lihat tabel 10 ).

Tabel 10 Coil Span Dari 180 – 120oL.

( Sumber : I Wayan Lingga ). Menghitung nilai besarnya pole pitch ( lebar tiap – tiap kutub )

dapat dijabarkan dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut:

4 p120

1800 x p 60

120n x p

f

cm. 80,87 D

inch. 31,84D

5652

180000D

1800 x 3,14

12 x 15000D

1800 x π

12 x 15000D

36 Z3 x 4 x 3 sZ

sq x p x m sZ

S

1Ko30sin

o30sin K

)2

60(Sin x 1

)2

60 x (1Sin K

)2β(Sin x sn

)2β( x s(nSin

K

cm. 63,47 τinch. 24,99 τ

4

31,84 x 3,14 τ

p

D x π τ

Menghitung arus beban penuh perfase ( Ic ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

Menghitung nilai slot pitch ( λ ) dapat diselesaikan dengan cara

sebagai berikut :

( Sumber : I Wayan Lingga ). Menghitung beban spesifik ( q ) dapat diselesaikan dengan cara

sebagai berikut :

( Sumber : I Wayan Lingga )

Nilai k berkisar antara 100 000 – 700 000. Maka diambil nilai k

sebesar 100 000. ( Sumber : I Wayan Lingga ).

Kerapatan arus di kumparan jangkar berkisar antara 2000 – 35000 A/in2 sehingga menghitung kerapatan arus pada kumparan jangkar ( Δ ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :


Kerapatan arus di kumparan jangkar ( Δ ) sebesar 6,468 A/mm2, sehingga luas penampang penghantar ( App ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :


Besarnya fluks perkutub ( Φ ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut:

Nilai hambatan konduktor ( R ) sebesar 0,0021 sehingga untuk menentukan tahanan kumparan jangkar (Rα ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :


AIEE standart menyatakan bahwa kerugian tembaga harus dihitung pada suhu 70oC pada setiap beban.

Kerugian tembaga pada kumparan jangkar ( Wa ) dapat

diselesaikan dengan cara sebagai berikut :


Dari perhitungan konduktor konvensional maka dapat dibuat tabel sebagai berikut :

Tabel 11. Hasil Perhitungan Konduktor Konvensional

Perhitungan superkonduktor. Jumlah kutub ( p ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai

berikut :

Pada perencanaan ini menggunakan kecepatan putarnya ( v ) sebesar 8000 fpm ( feet per minute ).

( Sumber : I Wayan Lingga ). Menghitung diameter rotor dapat diselesaikan dengan cara

sebagai berikut :

Ampere312,5 cI80, x750, x 400x3

310.225

I

θCos.ph

E..3

WcI

c

cm. 5,28 λ4 x 3

63,47 λ

p x mτλ

236,33 q

. 5,281250 q

5,284 x 312,5q

Iq c px

Maxwell. 81606843 x 36 x 60 x 2,22

8400.10

3 x x Zf x 2,22

8V.10

s

Ω/fasa 0,00255Rα

0,0021 x 20234,575234,5Rα

R x 1T234,52T234,5

Rα

Watt.92,41W0,00255 x 5,67W

Rα x I W

a

2a

2a

2A/mm 6,468Δ

2A/inch 191,1734 Δ

4

15000

236,33

100000Δ

4

v

q

kΔ

2pp

pp

cpp

mm 48,31 A6,468312,5 A

6I

A

4 p120

1800 x p 60

120n x p

f

cm. 43,12 D

inch. 98,61D

5652

96000D

1800 x 3,14

12 x 8000D

1800 x π

12 x 8000D

Menghitung nilai besarnya pole pitch dapat dijabarkan dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

Menghitung arus beban penuh perfase ( Ic ) dapat diselesaikan

dengan cara sebagai berikut :


Menghitung nilai slot picth ( λ ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

Menghitung beban spesifik ( q ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :


Nilai K berkisar antara 100 000 – 700 000. Maka diambil nilai K sebesar 100 000. Kerapatan arus pada kumparan jangkar ( Δ ) dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

Kerapatan arus superkonduktor di kumparan jangkar ( Δ )

sebesar 3,45 A/mm2 sehingga luas penampang penghantar superkonduktor ( App ) di kumparan jangkar yang dibutuhkan dapat diselesaikan dengan cara sebagai berikut :

Dari perhitungan superkonduktor maka dapat dibuat tabel sebagai berikut :

Tabel 12. Hasil Perhitungan Superkonduktor.

Analisa Hasil Perhitungan Dan Simulasi.

Dari hasil perhitungan generator maka dapat dianalisa sebagai berikut :

1. Pada generator konvensional yang menggunakan bahan

tembaga membutuhkan dimensi yang besar daripada yang menggunakan superkonduktor. Hal ini terlihat dari bagian rotornya yang memiliki diameter rotor sebesar 80,87 cm. Apabila diameter rotor besar maka mengakibatkan ukuran generator tersebut semakin besar.

2. Pada generator konvensional memiliki kerapatan arus di kumparan jangkarnya sebesar 6,468 A/mm2 . Artinya, arus listrik yang mengalir di tiap luasan penghantar sebesar 6,468 A/mm2 . Nilai kerapatan arus dari generator konvensional lebih besar daripada generator superkonduktor. Hal ini dikarenakan pada generator konvensional aliran arus listriknya mengalir secara merata diseluruh bagian penghantarnya. Sedangkan pada generator superkonduktor aliran arus listriknya mengalir dipermukaannya saja.

3. Pada generator konvensional memiliki panjang pole pitch sebesar 63,47 cm. Artinya bahwa jarak antara masing tiap kutub – kutubnya lebih besar daripada generator konvensional daripada generator superkonduktor yang mempunyai nilai 33,86 cm.

4. Pada generator konvensional memiliki panjang pole pitch sebesar 63,47 cm. Artinya bahwa jarak antara masing tiap kutub – kutubnya lebih besar daripada generator superkonduktor yang mempunyai nilai 33,86 cm. Apabila jarak antara satu kutub dengan kutub lainnya semakin besar mengakibatkan ukuran dari generator konvensional semakin besar juga.

Pada perencanaan analisa ini mempergunakan 2 bahan material yang berbeda guna untuk mendapatkan nilai effisiensi yang terbesar serta sebagai bahan acuan untuk menggunakan bahan superkonduktor. Material yang dipergunakan, yaitu :

1. Silver. 2. copper.

Sesuai dengan hasil analisa maka didapatkan material yang akan dipergunakan adalah : copper. Material copper adalah material yang mempunyai kerapatan arus di kumparan jangkarnya kecil daripada material silver. Hasil energi yang didapatkan dengan mempergunakan jenis

material silver adalah : 4,96 x 105 Joule.Artinya, energi yang dihasilkan apabila mempergunakan material silver sebesar 4,96 x 105 J.

Hasil energi yang didapatkan dengan mempergunakan jenis

material copper adalah : 7,59 x 105 Joule. Artinya, energi yang dihasilkan apabila mempergunakan material copper sebesar 7,59 x 105 J.

cm. 33,86 τinch. 13,33 τ4

16,98 x 3,14 τ

p

D x π τ

Ampere312,5 cI80, x750, x 400x3

310.225

I

θCos.ph

E..3

WcI

c

cm. 2,82 λ4 x 3

33,86 λ

p x mτλ

443,26 q

. 2,821250 q

2,824 x 312,5q

Iq c px

./ 45,3Δ.2A/inch 25,60122Δ

48000

443,26100000Δ

4v

qkΔ

2mmA

2mm 90,58 ppA

3,45312,5 ppA

skJcI ppA

Dari hasil energi yang diperoleh dari material yang berbeda maka dapat diperoleh hasil bahwa material copper merupakan material yang effisiensinya tinggi. KESIMPULAN Perbedaan antara generator konvensional dengan generator superkonduktor, yaitu :

Tabel 13 Perbedaan Generator Konvensional Dengan Generator Superkonduktor.

Perbedaan Lain generator konvensional dengan generator superkonduktor, yaitu : 1. Dari segi sistem pendinginan :

Pada generator superkonduktor menggunakan sistem tambahan berupa sistem pendingin yang dikenal dengan cryogenic sistem yang sangat menentukan kemampuan kerjanya. Hal ini dikarenakan selama generator bekerja maka sistem pendingin ini harus mampu menjaga kondisi superkonduktor agar berada pada kondisi superkonduktif. Apabila tidak mempergunakan sistem pendingin ini maka superkonduktor akan kehilangan sifat superkonduktifitasnya. Sedangkan pada generator konvensional tidak diperlukan sistem pendingin ini.

2. Dari segi rangkaian magnetis :

Pada generator superkonduktor rangkaian magnetis nya tidak menjadi perisai terhadap medan listrik dan medan magnet. Artinya medan magnet dan medan magnet sama dengan nol. Hal ini terbukti bahwa di hasil analisa dengan menggunakan software SolidWork 2008 besarnya medan listrik dan medan magnet yang terjadi pada generator superkonduktor dengan menggunakan material copper bernilai lebih kecil daripada material silver.

3. Dari segi aliran arus :

Pada generator superkonduktor aliran arus listrik nya akan mengalir di bagian permukaannya saja. Sedangkan pada generator konvensional aliran arus listriknya mengalir secara merata diseluruh bagian konduktor. Kerapatan arus pada material copper bernilai kecil daripada material silver. Hal ini terbukti bahwa di hasil analisa dengan menggunakan software SolidWork 2008.

4. Dari segi biaya :

Pada generator superkonduktor biaya yang dibutuhkan lebih besar dari pada generator konvensional. Hal ini terlihat dari adanya sistem tambahan seperti adanya sistem pendingin ( cryogenic sistem ). Sedangkan untuk generator konvensional tidak diperlukan sistem pendingin.

SARAN Guna menuju suatu kesempurnaan dan perbaikan skripsi ini maka disarankan untuk melakukan pengembangan yang berkaitan dengan adanya sistem pendingin yang sesuai dan mampu menjamin superkonduktifitas bahan serta diharapkan memperoleh superkonduktor pada suhu kamar sehingga lebih ekonomis dalam pemakaiannya. DAFTAR PUSTAKA Lingga, I Wayan.

Sawhney, A.K, 1990, “Electrical Mechine Design,” Dhanpat

Rai & Sons, New Delhi.

Soelaiman, Ts Mhd dan Mabuchi Magarisawa, 1984, “Mesin Tak Serempak dalam Praktek,” PT. Pradnya Paramita, Jakarta.

Sumanto, Drs, 1984, “Mesin Arus Searah,” Penerbit Andi Offset, Yogyakarta.

Theraja, B.L, 1982, “A Text-Book of Electrical Technologi,” Publication Division of Nirja Construction & Development Co (P) Lrd. Ram Nagar, New Delhi.

Sumanto, Drs.,1984, “Mesin Arus bolak-Balik,” Penerbit Andi Offset, Yogyakarta.

Gupta, L.C.and M.S. Multani, 1992. “Selected Topics in Superconductivity,” New Delhi.

Reitz, John R.Frederick J.Milford, Robert W.Christy, 1993.

“Dasar Teori Listrik Magnet,” ITB.

Sulasno, 2009. “ Teknik Konversi Energy Listrik Dan System Pengaturan”, Graha ilmu, Surabaya.

its-paper-19504-4207100067-paper

Documents