pengaruh sudut posisi kumparan terhadap beda fasa...

ISBN 978-602-8692-34-2

35

Pengaruh Sudut Posisi Kumparan terhadap Beda Fasa Gelombang untuk Generator Radial 3 Fasa

Martanto Jurusan Teknik Elektro

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, Indonesia

[email protected]

R. Benedictus Dwiseno Wihadi) Jurusan Teknik Mesin


[email protected]

Ronny Dwi Agusulistyo) Program Studi Desain Produk

Politeknik Mekatronika Sanata Dharma Yogyakarta, Indonesia

[email protected]

Tjendro Jurusan Teknik Elektro


[email protected]

Abstrak—Telah dilakukan penelitian awal pengaruh sudut posisi kumparan terhadap beda fase gelombang yang akan digunakan untuk pembuatan generator radial tiga fasa. Penelitian dilakukan dengan membuat rotor yang terbuat dari segi 24 bahan akrilik. Sekeliling rotor ditempatkan 24 buah magnet permanen neodymium ND52 ukuran 40mmx10mmx2mm. Kumparan terbuat dari lilitan kawat berdiameter 0.5mm, sebanyak 400 lilitan dengan inti batang besi berdiameter 10mm. Kumparan terdiri dari kumparan tetap dan kumparan yang dapat digeser-geser posisinya. Penelitian dimulai dengan memutar rotor pada mesin drilling dengan putaran 500rpm dan sudut posisi kumparan 15°. Sudut fasa dan tegangan dapat dilihat oleh osiloskop dan direkam pada laptop. Penelitian dilanjutkan dengan kenaikan sudut posisi kumparan 5°, sampai dengan 340°. Hasil penelitian menunjukkan bahwa beda fasa tegangan terjadi pengulangan setiap posisi bergeser sebesar 30°. Urutan letak kumparan untuk generator tiga fasa yaitu pada posisi 0°, 20°, 40°, dan seterusnya dengan kenaikan 20°. Jumlah kumparan untuk generator tiga fasa sebanyak 18 atau 6 kumparan tiap fasa.

Kata Kunci— kumparan, beda fasa, generator tiga fasa

I. PENDAHULUAN Salah satu tantangan pengembangan piranti ekstraksi

angin pada skala mikro adalah ketersediaan generator bagi pembangkit skala kecil yang dapat bekerja pada putaran sangat rendah. Generator yang tersedia di pasaran kebanyakan beroperasi pada putaran tinggi (1500 rpm) karena ditujukan bagi genset. Putaran kincir angin skala kecil dengan teknologi yang sederhana dan mikrohidro skala rumah tangga berada pada kisaran 100 rpm dengan daya kurang dari 200 W. Gear box dan pulley tidak cocok untuk sistem semacam ini karena akan meningkatkan rugi – rugi daya secara signifikan dan menambah ukuran piranti. Dengan demikian diperlukan generator yang bersifat direct drive yang mampu bekerja pada putaran yang sangat rendah.

Penambahan kutub adalah salah satu alternatif yang memungkinkan generator dapat bekerja pada putaran yang cukup rendah tanpa meningkatkan rugi – rugi daya mekanik. Peningkatan efisiensi juga dilakukan dengan penggunaan magnet permanen. Magnet permanen bekerja tanpa dipengaruhi oleh arus jangkar dan rugi – rugi sinkron. Sekalipun lebih mahal, magnet permanen memberikan efisiensi yang lebih baik daripada penggunaan lilitan pada

pembangkit medan. Pemanfaatan fasa juga akan dipakai untuk mengurangi biaya kutub magnet permanen.

Penelitian awal ini bertujuan untuk pembuatan generator radial 3 fasa dengan kutub-kutubnya berupa magnet permanen dengan rangka akrilik. Generator yang akan dibuat mempunyai jumlah kutub magnet yang banyak (24 buah, 12pasang) sehingga dapat bekerja pada putaran yang rendah, yaitu sekitar 100 – 300 rpm. Generator 3 fasa memiliki keunggalan pada torsi yang lebih rendah daripada generator satu fasa sehingga dapat diterapkan pada sistem yang menggunakan penggerak dengan torsi yang kecil.

Perkembangan penelitian generator, terutama untuk sistem skala kecil belum menggembirakan. Pengembangan generator kompon skala kecil 100 watt oleh Diding hanya menghasilkan keluaran 25% dari target. Sekalipun demikian, dikonfirmasi kebutuhan putaran di sekitar 200 rpm pada pembangkit pikohidro [1]. Sedangkan Irasari dkk melaporkan bahwa rancangan generator putaran rendah dengan 48 kutub lilitan dan 12 kutub magnet yang dikembangkan dengan menggunakan magnet permanen Ba-Fe memberikan tegangan keluaran 37 volt dari target 220 volt [2]. Perkembangan signifikan dilaporkan oleh Prasetyadi dengan disain generator kerangka akrilik [3]. Namun generator tersebut belum dapat memenuhi kebutuhan sistem alternatif skala kecil yang bekerja pada 100 – 300 rpm karena tidak memanfaatkan inti untuk meningkatkan kuat medannya. Generator yang diusulkan juga memiliki kelemahan pada struktur rangka yang cenderung mengurangi efektivitas medan magnetnya [3].

II. METODE PELAKSANAAN Pembuatan rotor terdiri dari 24 buah magnet permanen

(neodymium nd52, 40x10x2) yang disusun melingkar pada dua buah akrilik segi 24 berdiameter 114,6 mm. Akrilik diberi lubang dipusatnya untuk peletakkan batang baja yang akan dicekam pada chuck mesin drilling. Gambar peletakan rotor magnet permenen dan kumparan ditunjukkan pada gambar 1. Kumparan terdiri dari lilitan kawat tembaga berdiameter 0,5 mm sebanyak 400 lilitan dengan inti batang besi berdiameter 10 mm. Kumparan dibuat dua buah sebagai kumparan tetap dan kumparan yang dapat diatur sudut posisinya. Jarak kumparan terhadap kutup magnet adalah 2 mm

ISBN 978-602-8692-34-2

36

Gambar 1. Peletakan Rotor Magnet Permanen dan Kumparan

Gambar 2. Peralatan yang Digunakan untuk Pengujian

Penelitian dimulai dengan memutar rotor magnet pada mesin drilling berputaran 500 rpm, sudut posisi kumparan kedua adalah 15° dari kumparan pertama, diambil data beda fasa dan tegangan (Vrms) yang dihasilkan melalui osiloskop digital dan direkam pada laptop. Osiloskop digital yang dipakai adalah seri GDS-820S yang dapat dihubungkan ke komputer melalui kabel USB, dan dilengkapi dengan perangkat lunak FreeView V1.04 untuk melihat gambar gelombang pada komputer, sama dengan yang ditampilkan pada osiloskop. Dari gambar yang diambil di komputer kemudian dihitung beda fasanya berdasarkan letak kursor yang ditunjukkan pada gambar pada osiloskop. Gambar 2 adalah peralatan untuk pengujian. Langkah selanjutnya mengambil data beda fasa, tegangan untuk sudut posisi kumparan setiap kenaikan 5° hingga sudut 340°.

Perhitungan perbedaan fasa antara dua gelombang dilakukan dengan mengacu pada gambar 3, dengan menggunakan persamaan (1)[4]

ϕ = 360° (τ / T) (1) a + b = g (1)

dengan ϕ adalah bedafasa, τ adalah selisih waktu antara dua gelombang, dan T adalah perioda gelombang. Nilai τ dan T dapat ditentukan dari pembacaan osiloskop melalui fasilitas kursor yang tersedia. Untuk mengurangi kesalahan akibat pembacaan tampilan osiloskop, penentuan beda fasa dilakukan dengan menggunakan metoda zero-crossing yang

dijelaskan melalui gambar 4. Gelombang keluaran masing-masing kumparan menjadi gelombang kotak. Setiap perubahan sinyal dari negatif ke positif sinyal A dipakai untuk memulai pembentukan gelombang kotak dan setiap perubahan sinyal dari negatif ke positif sinyal B dipakai untuk mengakhiri gelombang kotak. Lebar dari sinyal kotak ini sebanding dengan perbedaan fasa antara dua gelombang [4]. Metode ini diimplementasikan menggunakan rangkaian yang ditunjukkan oleh gambar 5. Rangkaian utama pendeteksi fasa terdiri atas dua penguat operasional yang berfungsi rangkaian pembanding, rangkaian pembentuk pulsa dan sebuah rangkaian bistable flip-flop.

Gambar 3. Penentuan Beda Fasa Dua Gelombang []

Gambar 4. Penentuan Beda Fasa Menggunakan Metode Zero-Crossing[]

Komparator berfungsi untuk mengubah bentuk gelombang masukan yang berbentuk sinusoidal menjadi berbentuk gelombang kotak. Komponen R1, D1, D2 pada komparator pertama dan R2, D3, D4 pada komparator kedua dipakai sebagai pembatas tegangan. Jika tegangan masukan bernilai positif maka tegangan keluaran komparator akan sama dengan nilai tegangan keluaran saturasi atas dari penguat operasional yang digunakan. Sedangkan jika tegangan masukan bernilai negatif maka tegangan keluaran komparator akan sama dengan nilai tegangan keluaran saturasi bawah penguat operasional yang digunakan.

Komponen C1, R3, D5 pada keluaran komparator pertama dan komponen C2, R4, D6 pada keluaran komparator kedua dipakai untuk mengubah bentuk gelombang kotak keluaran komparator menjadi gelombang pulsa sempit positif (impuls) saat terjadi perubahan tegangan rendah ke tinggi sinyal keluaran komparator.

Rangkaian bistable flip-flop memiliki dua masukan yaitu V(a) dan V(b), dan keluaran V(out1) dan V(out2). Jika V(a) mendapat tegangan pulsa positif, maka transistor Q1 akan berada pada kondisi ON atau saturasi yang menyebabkan tegangan V(out1) akan bernilai nol. Tegangan V(out1) yang rendah akan menyebabkan transistor Q2 berada pada kondisi cut-off, sehingga tegangan keluaran V(out2) menjadi sama dengan VCC. Logika tegangan V(out1) dan V(out2) saling berkebalikan, jika V(out1) berada pada level rendah maka V(out2) berada pada level tinggi, dan sebaliknya. Siklus kerja (duty cycle) tegangan keluaran V(out1) sebanding dengan beda fasa antara tegangan masukan V1 dan V2.

ISBN 978-602-8692-34-2

37

Untuk menghitung duty cycle dari suatu bentuk gelombang kotak tersebut maka keluaran V(out1) dihubungkan dengan sebuah mikrokontroler yang diprogram agar dapat mengukur besarnya duty cycle dan beda fasa. Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino Uno yang memanfaatkan fungsi pulsein yang dipakai untuk menghitung waktu saat pulsa berada pada level ‘tinggi’ (TON) dan waktu saat sinyal berada pada level ‘rendah’ (TOFF). Jika waktu tinggi dan waktu rendah diketahui maka dapat dihitung siklus kerja, beda fasa, perioda dan frekuensi gelombang.

Gambar 5. Rangkaian Pendeteksi Beda Fasa

III. HASIL DAN PEMBAHASAN Bentuk gelombang dari keluaran kedua kumparan yang

ditampilkan oleh osiloskop ditunjukkan oleh gambar 6. Gambar gelombang ini diperoleh untuk sudut posisi kumparan sebesar 140°. Gambar 6 menunjukkan hasil pengukuran kedua gelombang, antara lain amplitudo gelombang pertama sebesar 10,6 Vpp, ampltudo gelombang kedua sebesar 11,6Vpp, frekuensi 115,2Hz dan perioda 8,6ms. Gambar 5(b) menampilkan posisi kursor yang digunakan untuk membantu menentukan beda fasa antara dua gelombang. Jarak antar dua kursor ditunjukkan dengan nilai Δ (delta) sebesar 2,360ms. Mengacu pada (1) maka nilai beda fasa diperoleh sebesar 98,8°.

Gambar 6. Gelombang Keluaran dari Dua Kumparan

Gambar 7. Bentuk Gelombang Keluaran Rangkaian Bistable Flip-Flop

-

30

60

90

120

150180

210

240

270

300

330

360

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Sudut posisi antara 2 kumparan [derajad]

Bed

a fa

sa a

ntar

2 k

umpa

ran

[der

ajad

]

Gambar 8. Kurva Beda Fasa Antara Dua Kumparan terhadap Sudut Posisi Kumparan

Berdasar gambar 8 dapat dilihat bahwa terjadi siklus yang berulang sepanjang sudut pengujian. Untuk memperoleh periode pengulangan, dilakukan pengecekan gradien kemiringan untuk setiap penggal kurva dengan mencari persamaan lineraritasnya, dengan memanfaatka fungsi trendline dalam perangkat lunak Microsoft Excel. Dari setiap penggal kurva gambar 8 diperoleh hasil persamaan trendline seperti ditunjukkan oleh tabel I. Untuk memperoleh nilai siklus pengulangan dilakukan dengan cara membuat nilai beda fasa (y) sama dengan 0 untuk setiap penggal kurva, kemudian mencari nilai sudut posisi (x), dan selisih antar nilai x antar kurva, yang hasilnya terdapat pada tabel I kolom 4 dan 5. Rata-rata selisih nilai x didapat sebesar 29,97°, dibulatkan menjadi 30°, yang merupakan nilai pengulangan sudut posisi kumparan. Sedangkan nilai rata-rata gradien persamaan trendline sebesar 11,72°, jika dibulatkan menjadi 12, yang sama dengan jumlah pasangan kutub magnet yaitu 12 pasang dari 24 buah magnet pada rotor.

TABLE I. PERSAMAAN LINEARITAS TIAP KURVA

No Persamaan trendline Nilai R2 Nilai x, saat y=0

Selisih nilai x

1 y = 12.397x + 6.0671 0.9925 -0.49

2 y = 12.088x - 337.67 0.9985 27.93 28.42

3 y = 11.623x - 663.55 0.9985 57.09 29.16

4 y = 11.012x - 962.35 0.9984 87.39 30.30

5 y = 11.259x - 1335.8 0.9993 118.64 31.25

6 y = 11.887x - 1777.0 0.9987 149.49 30.85

7 y = 11.567x - 2067.1 0.9978 178.71 29.22

8 y = 11.459x - 2403.9 0.9991 209.78 31.08

9 y = 12.511x - 3017.4 0.9993 241.18 31.40

10 y = 11.587x - 3128.1 0.9983 269.97 28.79

11 y = 11.822x - 3543.6 0.9986 299.75 29.78

12 y = 11.398x - 3752.1 0.9791 329.19 29.44

Sudut posisi kumparan kedua yang memiliki fasa yang mendekati sama dengan kumparan pertama (dekat dengan 0° atau 360°) adalah sudut 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 270°, 300°, dan 330°. Dari kurva gambar 8 untuk sudut ini memiliki kesalahan beda fasa sebesar 13,34°, atau dengan kesalahan sudut posisi sebesar 1,14°. Gambar 9 adalah bentuk gelombang untuk dua sudut posisi kumparan yang memiliki beda fasa sekitar nol derajad, atau kedua kumparan memiliki fasa yang sama.

ISBN 978-602-8692-34-2

38

Gambar 9. Bentuk Gelombang untuk sudut posisi 60° dan 90°

Sudut posisi kumparan kedua yang memiliki beda fasa berkebalikan dengan kumparan tetap (sekitar 180°) adalah: 45°, 75°, 105°, 135°, 165°, 195°, 225°, 255°, 285°, dan 315°. Dari kurva gambar 8 untuk sudut ini memiliki kesalahan beda fasa sebesar 13,55°, atau dengan kesalahan sudut posisi sebesar 1,16°. Gambar 10 menunjukkan dua sudut posisi yang memiliki beda fasa sekitar 180.


Generator 3 fasa memiliki perbedaan fasa antar gelombang adalah 120°, yaitu 0°, 120°, dan 240°. Sudut posisi kumparan kedua yang memiliki beda fasa mendekati 120° adalah: 40°, 70°, 100°, 130°, 160°, 190°, 220°, 250, 280°, 310° dan 340°. Dari kurva gambar 8 untuk sudut ini memiliki kesalahan beda fasa sebesar 10,74°, atau dengan kesalahan sudut posisi sebesar 0.92°. Gambar 11 menunjukkan dua sudut posisi yang memiliki beda fasa sekitar 120°.

Sudut posisi kumparan yang memiliki beda fasa mendekati 240° adalah: 20°, 50°, 80°, 110°, 140°, 170°, 200°, 230°, 260°, 290°, dan 320°. Dari kurva gambar 8 untuk sudut ini memiliki kesalahan beda fasa sebesar 8,40°, atau dengan kesalahan sudut posisi sebesar 0,72°. Gambar 12 menunjukkan dua sudut posisi yang memiliki beda fasa sekitar 240°.



TABLE II. PERSAMAAN LINEARITAS TIAP KURVA

Fasa ke- Sudut posisi penempatan kumparan (°)

1 (0°) 0 60 120 180 240 300

2 (240°) 20 80 140 200 260 320

3 (120°) 40 100 160 220 280 340

Berdasarkan hasil yang diperoleh, jarak antar kumparan

untuk generator tiga fasa adalah setiap 10°. Oleh karena sudut posisi minimum antara dua kumparan adalah sekitar 15°, maka jarak sudut posisi antar kumparan tidak bisa sebesar 10°, tetapi dinaikkan menjadi 20°, sehingga diperoleh letak kumparan untuk tiga fasa seperti ditunjukkan pada tabel II, setiap fasa tersusun atas 6 buah kumparan, atau secara keseluruhan ada 18 kumparan.

IV. KESIMPULAN Hasil penelitian menunjukkan bahwa beda fasa tegangan

terjadi pengulangan setiap posisi bergeser sebesar 30°. Urutan letak kumparan untuk generator tiga fasa yaitu pada posisi 0°, 20°, 40°, dan seterusnya dengan kenaikan 20°. Jumlah kumparan sebanyak 18 atau 6 kumparan tiap fasa

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat

Riset dan Pengabdian Masyarakat, Direktorat Jendral Penguatan Riset dan Pengembangan, Kementrian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi atas hibah Penelitian Terapan Unggulan Perguruan Tinggi tahun 2018 sehingga penelitian ini dapat berlangsung dengan lancar.

REFFERENSI [1] Diding Suhardi, 2007, ” Generator Listrik 100 watt Putaran Rendah

untuk Pembangkit Listrik dan Angin Mikro : Disain, Perencanaan, dan Pembuatan”, Laporan Penelitian Universitas Negeri Malang.

[2] Irasari, Pudji, Dwi Hidayati, Nurafni, 2006,” Analisis Prototipe Generator Kecepatan Rendah untuk Pembangkit Listrik Skala Kecil”, Teknologi Indonesia, LIPI.

[3] Prasetyadi, 2014, “Rapat Medan Magnet Perlawanan pada Generator Radial Magnet Permanen ND-35 Phasa Tunggal dengan Rangka Akrilik Knock Down”, Prosiding Seminar RiTekTra 2014, pp 291-294.

[4] O'Shea, Peter, 1999, " The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook : Phase Measurement." CRC Press LLC.

pengaruh sudut posisi kumparan terhadap beda fasa...

Documents