Pudji Irasari, Muhammad Kasim, Fitriana
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)
Jalan Sangkuriang Komplek LIPI Gedung 20 Lantai 2 Bandung 40135
022-2503055
ABSTRAK
Dalam penelitian ini dilakukan optimasi kemiringan magnet terhadap generator magnet permanen 1 kW, 3 fasa, 300 rpm. Optimasi dilakukan dengan cara mensimulasikan beberapa posisi kemiringan magnet rotor (x). Definisi kemiringan magnet dalam eksperimen ini adalah garis terluar kutub yang terjadi akibat pergeseran dua segmen magnet yang membentuk kutub tersebut. Tiga posisi kemiringan yang dianalisis adalah x1 = 16 mm, x2 = 21 mm, x3 = 25,6 mm. Ketiga posisi kemiringan tersebut menghasilkan distorsi harmonik (HD) dan bentuk gelombang tegangan EMF yang berbeda-beda. Validasi eksperimen menunjukkan bahwa karakteristik terbaik diperoleh pada posisi kemiringan x = 21 mm dengan HD = 11,9 % dan bentuk gelombang tegangan EMF paling mendekati sinusoida.
Kata kunci: optimasi, kemiringan, magnet permanen, generator, harmonik
ABSTRACT
Optimization of magnet skewing of 1 kW, 3 phase, 300 rpm permanent magnet generator has been conducted in this research. The optimization is carried out by simulating some position of the rotor magnet skewing (x). The definition of skewing in this experiment is the outer line of one pole that is appear due to the shifting of two magnet segments that forming the pole. The three skewing position that is analyzed are x1 = 16 mm, x2 = 21 mm, x3 = 25,6 mm. Those skewing positions result in different harmonic distortion (HD) and EMF voltage waveform. The experimental validation shows that the best characteristic is obtained at skewing of x = 21 mm with HD = 11.9% and has the most sinusoidal EMF voltage waveform.
Keywords: optimization, skewing, permanent magnet, generator, harmonics
PENDAHULUAN
Berbagai bentuk dan konfigurasi magnet permanen untuk aplikasi motor maupun generator telah banyak dikaji oleh para peneliti.[1][2][3] Hasil eksperimen menunjukkan bahwa dengan bentuk magnet yang sama tetapi konfigurasi pemasangannya berbeda akan menghasilkan unjuk kerja generator yang berbeda pula. [1][2]
Salah satu parameter yang harus diperhatikan dalam merancang generator magnet permanen (GMP) adalah tegangan EMF. Tegangan keluaran generator harus dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki bentuk sinusoida atau dengan kata lain kandungan harmoniknya sekecil mungkin. Dalam standar IEC 60034-1 tentang “Rotating Electrical Machines Part 1: Rating and Performance” dinyatakan batasan THD (Total Harmonic Distortion) tidak lebih dari 5%, untuk generator sinkron dengan kapasitas daya 300 kW atau lebih, yang dihubungkan ke jaringan dengan frekuensi 16 2/3 – 100 Hz.[4] Meskipun dalam standar tersebut generator kapasitas kecil tidak dituntut untuk membatasi angka harmonik namun mengingat dampak harmonik cukup signifikan pada peralatan elektronik maka sudah seharusnya bahwa kandungan harmonik dalam generator ditekan serendah-rendahnya.
Dalam makalah ini akan dibahas tentang optimasi kemiringan magnet serta pengaruhnya terhadap bentuk gelombang tegangan EMF dan besarnya distorsi harmonik.
TEORI
Metode optimasi dilakukan secara analitik, step-by-step dengan parameter lebar garis terluar kutub magnet permanen x yang didefinisikan sebagai kemiringan. Simulasi dilakukan terhadap tiga posisi x, yaitu posisi lurus atau minimum atau tanpa kemiringan, posisi maksimum sebesar satu kisar alur dan diantara kedua posisi tersebut. Posisi x yang dianggap paling optimum adalah yang menghasilkan gelombang EMF paling sinusoida. Hasil simulasi selanjutnya divalidasi dengan eksperimen di laboratorium.
Generator
Generator fluks radial dalam penelitian ini memiliki inner rotor dengan metode pemasangan magnet surface mounted. Satu kutub rotor disusun oleh dua segmen magnet seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Masing-masing segmen memiliki dimensi panjang x lebar x tebal = (50,8 x 16 x 12) mm3. Jenis magnet permanen yang digunakan adalah N35 bonded lapis nikel dengan kerapatan fluks remanensi Br sebesar 1,2 tesla. Rotor dirancang sedemikian rupa sehingga kemiringan magnetnya (x) dapat diatur dari posisi lurus hingga posisi kemiringan maksimum (satu kisar alur).
 |
Gambar 1. (a) Konfigurasi magnet per-manen pada rotor dengan kemiringan x, (b) prototip rotor |
Data dan spesifikasi GMP yang digunakan ditampilkan dalam Tabel 1 berikut:
Tabel 1. Data GMP
Parameter, (satuan) | Simbol | Besaran |
Daya, (watt) | P | 1000 |
Tegangan nominal, (volt) | E | 220/380 |
Frekuensi nominal, (Hz) | f | 50 |
Fasa | m | 3 |
Faktor distribusi lilitan | kd | 1 |
Faktor pemendekan lilitan | kp | 1 |
Luas permukaan magnet (m2) | Am | 1,6×10-3 |
Jumlah koil/kutub.fasa | q | 1 |
Putaran, (rpm) | n | 300 |
Jumlah kutub | p | 18 |
Jumlah pasang kutub | p’ | 9 |
Diameter luar stator (m) | Do | 0,34 |
Diameter dalam stator (m) | Di | 0,1476 |
Diameter rotor, (m) | Dr | 0,147 |
Jumlah alur | Ss | 54 |
Lilitan per fasa | Nph | 1247 lilit |
EMF (Electromotive Force)
Gelombang tegangan EMF dapat diselesaikan dengan deret Fourier yang terdiri dari komponen fundamental dan deret komponen harmonik ganjil, diberikan oleh persamaan[3]:
dimana En adalah tegangan maksimum, q = posisi rotor (derajat listrik) dan faktor kemiringan ksn diperoleh dengan persamaan [5]:
dimana x = kemiringan magnet
Besarnya tegangan rms pada suatu tetapan putaran atau frekuensi dihitung menggunakan persamaan [6]:
dengan
dimana Bmoc adalah kerapatan fluks magnet pada kondisi open circuit yang besarnya berkisar antara 0,7 – 0,95 Br .[7] Untuk jenis magnet yang digunakan, nilai Bmoc = 0,84 Br = 1,008 T. Am adalah luas permukaan magnet yang menghadap ke arah lilitan = 2 x (50,8 mm x 16 mm) = 1625,6 mm2 = 1,6256 x 10-3 m2.
Harmonik
Pada trafo daya dan mesin-mesin putar, harmonik timbul karena saturasi magnetik pada inti. Untuk menjaga agar bentuk gelombang tegangan tetap sinusoida maka arus magnetisasi harus menghasilkan fluks sinusoida. Pada saat amplitudo tegangan (atau fluks) cukup besar sehingga memasuki wilayah kurva B-H nonlinear, arus magnetisasi akan menyimpang dari bentuk sinusoida dan mengandung harmonik.[8]
Indeks harmonik atau rasio nilai rms komponen harmonik terhadap nilai rms fundamental biasanya disebut dengan distorsi harmonik. Spektrum harmonik individu tanpa beban dihitung dengan persamaan [9]:
dimana Vn adalah nilai tegangan pada hamonik ke-n dan V1 adalah tegangan fundamental pada frekuensi nominal 50 Hz. Dalam perhitungan ini V1 = Eph pada Persamaan (3) atau tegangan nominal yang nilainya 220 V.
EKSPERIMEN
Eksperimen dilakukan dengan cara memutar generator menggunakan motor induksi melalui pulley belt dengan rasio 1 : 4. Putaran motor induksi diatur menggunakan oscillator. Set-up penguji-an diperlihatkan pada Gambar 2.
 |
Gambar 2. Set-up pengujian |
Untuk tiap posisi x (Gambar 1), eksperimen dilakukan dua kali, yaitu:
· Eksperimen 1 untuk mendapatkan bentuk gelombang tegangan dan spektrum harmonik tanpa beban. Caranya adalah dengan memutar generator pada putaran nominal 300 rpm atau pada frekuensi 50 Hz.
· Eksperimen 2 dilakukan untuk mengetahui besarnya tegangan keluaran tanpa beban pada beberapa putaran yang ditetapkan, yaitu pada kisar 100 – 700 rpm dengan tahapan kenaikan 100 rpm.
Keluaran generator untuk kedua eksperimen diukur menggunakan power quality meter.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi spektrum harmonik dihitung menggunakan Persamaan (6) untuk harmonik ke-3 adalah:
Nilai ks diperoleh dari Persamaan (2) untuk harmonik ke-3:
Apabila semua konstanta disubstitusi dengan nilai yang telah ditetapkan dan mengalikan hasilnya dengan 100% maka akan diperoleh nilai harmonik individu ke-3. Dengan cara yang sama dapat diperoleh harmonik ke-5, ke-7 dan seterusnya untuk masing-masing nilai kemiringan x. Harmonik dihitung sampai dengan harmonik ke-49 sesuai dengan yang ditampilkan oleh power quality meter.
Karena dalam perhitungan nilai harmonik tertinggi selalu negatif maka agar mendekati hasil eksperimen untuk selanjutnya dalam pembahasan ini nilai spektrum harmonik selalu diambil angka absolutnya.
Spektrum harmonik hasil perhitung-an dibandingkan dengan hasil eksperi-men diperlihatkan pada Gambar 3.
Ada dua kotak yang ditampilkan oleh harmonik hasil pengukuran, yaitu kotak data block dan cursor values. Kotak yang perlu diperhatikan adalah kotak data block dengan parameter THDf, yaitu total harmonic distorsion terhadap fundamental.
Gambar 3(a) & (b) memperlihatkan spektrum harmonik analisa teori dan hasil eksperimen untuk posisi x lurus atau 16 mm. Kedua spektrum memperlihatkan harmonik tertinggi muncul pada harmonik ke-5.
Gambar 3(c) & (d) adalah perbandingan spektrum harmonik p a d a x = 21 mm. Terdapat perbedaan parameter yang ditampilkan pada sumbu x, yaitu bilangan harmonik untuk h a s i l analisa dan frekuensi untuk hasil eksperimen. Perbedaan tersebut disebabkan oleh kurang cermatnya dalam melakukan setting power quality meter saat pengujian.
Hubungan antara harmonik dengan frekuensi fundamental didefini-sikan bahwa harmonik adalah hasil perkalian seluruh bilangan dengan frekuensi fundamental. Jadi, harmonik ke-3 berarti 3 kali frekuensi funda-mental, dalam penelitian ini 3 x 50 Hz, harmonik ke-5 sama dengan 5 x 50 Hz, dan seterusnya. [10]
 |
Gambar 3 Perbandingan spektrum harmonik. Pada x =16 mm, (a) analisa teoritis, (b) hasil eksperimen. Pada x =21 mm, (c) analisa teoritis, (d) hasil eksperimen. Pada x =25,6 mm, (e) analisa teoritis, (f) hasil eksperimen. |
Pada Gambar 3(d), frekuensi hasil pengukuran pada sumbu x tidak menunjukkan bilangan bulat, karena setting frekuensi fundamentalnya tidak tepat pada 50 Hz, tetapi pada 50,7 Hz. Hal tersebut disebabkan oleh tombol pengatur pada oscillator yang terlalu sensitif sehingga seringkali sulit untuk mengatur tepat pada frekuensi yang dikehendaki. Frekuensi 202,9 Hz berarti harmonik ke-4, 355,1 adalah harmonik ke-7, demikian seterusnya. Dari Gambar 3(c) & (d) dapat dilihat bahwa harmonik tertinggi sama-sama terjadi pada harmonik ke-3 atau pada frekuensi 150 Hz (tidak ditampilkan oleh alat ukur tetapi merupakan urutan ketiga bila dihitung dari fundamental).
Gambar 3(e) & (f) adalah perban-dingan spektrum harmonik pada x = 25,6 mm. Sebagaimana kasus sebelumnya, ketidakcermatan setting menyebabkan perbedaan parameter yang ditampilkan pada sumbu y. Dalam spektrum hasil analisa, sumbu y adalah persentase harmonik sedangkan hasil eksperimen menampilkan tegangan rms tanpa beban.
Yang perlu diperhatikan pada Gambar 3(f) adalah bahwa berapapun nilai tegangan rms yang dicapai oleh harmonik ke-1, dalam kasus distorsi harmonik nilainya dianggap 100% atau yang paling sinusoida. Nilai THDf yang tertulis dalam data block sebesar 26,8% adalah persentase relatif terhadap harmonik ke-1 atau harmonik fundamental. Dari Gambar 3(e) & (f) da-
pat dilihat bahwa harmonik tertinggi muncul pada urutan harmonik yang berbeda, yaitu harmonik ke-3 untuk analisa teori, dan harmonik ke-5 untuk hasil eksperimen.
Guna mempermudah perbandingan, persentase harmonik tertinggi untuk semua kemiringan dirangkum dalam Tabel 2.
Tabel 2. Perbandingan distorsi harmonik tertinggi teoritis dan hasil eksperimen
Kemiringan, x | %HD | Harmonik ke- | ||
Analisa teoritis | Hasil eksperimen | Analisa teoritis | Hasil eksperimen | |
16 mm | 28,70 | 27,70 | 5 | 5 |
21 mm | 24,33 | 11,90 | 3 | 3 |
25,6 mm | 30,42 | 26,80 | 3 | 5 |
Dari Tabel 2 dan Gambar 3 dapat dilihat bahwa pada kemiringan 16 mm dan 21 mm, harmonik tertinggi analisa teori sama dengan hasil eksperimen, masing-masing terjadi pada harmonik ke-5 dan ke-3, tetapi perbedaan %HD-nya masih cukup tinggi, yaitu diatas 10%. Pada kemiringan 25,6 mm terjadi perbedaan urutan angka harmonik yang membangkitkan harmonik tertinggi.
Analisa teoritis menghasilkan harmonik tertinggi pada harmonik ke-3 sedangkan hasil eksperimen pada harmonik ke-5. Untuk mengetahui pengaruh kedua harmonik tersebut terhadap bentuk gelombang EMF maka dilakukan simulasi menggunakan Persamaan (1), hasilnya seperti diperlihat-kan pada Gambar 4.
Bila dibandingkan dengan hasil eksperimen (Gambar 5) maka bentuk gelombang EMF yang lebih mendekati adalah Gambar 4(b), yaitu akibat harmonik ke-5.
Perbedaan harmonik tertinggi pada kemiringan 25,6 mm menunjukkan bahwa Persamaan (5) belum sepenuhnya memberikan gambaran yang benar terhadap harmonik maksimum yang mempengaruhi gelombang EMF.
 |
Gambar 4. Simulasi gelombang EMF pada x = 25,6 mm, (a) n = 3, (b) n = 5 |
 |
| Gambar 5. Gelombang EMF eksperimen pada posisi x = 25,6 mm |
Untuk posisi kemiringan magnet yang lain, yaitu 16 mm dan 21 mm, bentuk gelombang EMF analisa teoritis dan hasil eksperimen memperlihatkan kemiripan sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 7.
Pada posisi x = 16 mm gelombang EMF tanpa beban memiliki dua puncak dengan nilai eksperimen sebesar 672 volt. Sedangkan pada x = 21 mm dan 25,6 mm nilai tegangan puncak eksperimen masing-masing adalah 544V dan 496V. Hasil tersebut menunjukkan bahwa makin besar kemiringan magnet, puncak tegangan EMF menjadi semakin turun. Simulasi spektrum harmonik juga dilakukan di titik-titik yang lain. Pergeseran kemiringan magnet x ke posisi lebih besar dari 21 mm (21,1 mm – 22 mm) memperbesar persentase distorsi harmonik dari 24,7% - 27%. Di atas 22 mm, harmonik tertinggi berubah ke harmonik ke-5.
Pergeseran ke arah kurang dari 21 mm (sampai dengan 19,4 mm) memberikan penurunan persentase harmonik hingga ke angka 16,43%. Batasan tersebut kemudian dijadikan acuan sebagai kisar kemiringan yang harus diuji. Namun hasil eksperimen menunjukkan bahwa pada kemiringan mulai 20 mm distorsi harmonik besarnya ± 12%, naik dari semula 11,9% (Tabel 2). Semakin diperkecil kemiringannya distorsi harmonik semakin besar. Dari hasil tersebut selanjutnya ditetapkan bahwa posisi paling optimum (sinusoida) adalah pada kemiringan 21 mm. Untuk kemiringan di bawah 19,4 mm, harmonik tertinggi berubah ke harmonik
 |
Gambar 6. Perbandingan bentuk gelombang EMF. Pada x =16 mm, (a) analisa teoritis, (b) hasil eksperimen. Pada x =21 mm, (c) analisa teoritis, (d) hasil eksperimen. |
Tegangan tanpa beban pada tiap putaran dibandingkan antara analisa teori Persamaan (3) dan hasil eksperimen sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 7.
 |
Gambar 7. Grafik Tegangan Tanpa Beban vs. Putaran |
Dari Gambar 7 tersebut dapat dilihat bahwa tegangan pada kemiringan 16 mm memberikan nilai paling besar dibanding dua posisi kemiringan yang lain. Pada putaran 100 rpm semua kemiringan membangkitkan tegangan yang hampir sama, yaitu di kisaran 100V namun ketika putaran dinaikkan, kemiringan 16 mm menunjukkan kenaikan tegangan yang cukup signifikan, yaitu mencapai ± 800V pada putaran 600 rpm. Tegangan keluaran paling rendah dihasilkan oleh kemiringan 25,6 mm atau kemiringan satu kisar alur. Meskipun kemiringan 16 mm memberikan tegangan keluaran paling tinggi dibanding kemiringan yang lain, tetapi karena kandungan harmoniknya tinggi maka konfigurasi tersebut tidak dipilih dalam penelitian ini.
KESIMPULAN
Dalam penelitian ini telah dilakukan optimasi kemiringan magnet pada generator magnet permanen fluks radial. Metoda analitik digunakan untuk mendapatkan posisi kemiringan magnet yang paling optimum, yaitu yang menghasilkan gelombang tegangan paling sinusoida. Selain itu dilakukan pula perhitungan tegangan tanpa beban untuk beberapa putaran yang dite-tapkan. Eksperimen menunjukkan bahwa metoda optimasi kemiringan yang digunakan belum sepenuhnya memberikan hasil yang tepat sama dengan hasil eksperimen tetapi cukup membantu dalam mengarahkan posisi kemiringan paling optimum sehingga dapat menghemat waktu manufaktur. Sedangkan untuk perhitungan tegangan tanpa beban pada beberapa tetapan putaran menunjukkan bahwa metoda analitik yang digunakan memberikan hasil yang baik karena perbedaan dengan hasil eksperimen kurang dari 10%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Para penulis mengucapkan terima kasih kepada Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI yang telah mengijinkan penelitian ini untuk dipublikasikan dan juga kepada para anggota penelitian yang lain, yaitu Taufik K, A. Ardath K, dan M. Fathul.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Libert, F., and J. Soulard, 2004, design study of different direct driven PMM for a low speed appl, Nordic workshop on Power and Industrial Electronics (NORpie), Trondheim, Norway.
[2] Libert, F., 2004, Design, Optimi-zation and Comparison of Perma-nent Magnet Motors for a Low-Speed Direct-Driven Mixer, Ph.D Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm: 7 – 9
[3] Wu, W., V. S. Ramsden, T. Crawford, G. Hill, 2000, A Low-Speed, High-Torque, Direct-Drive Permanent Magnet Generator for Wind Turbines. IEEE Industrial Application Conference, hal: 147-154.
[5] Engelmann, R.H., & Willian, H.M., Handbook of Electric Motor, Marcel Dekker Inc., 1995, p.251
[6] Mahalingam, G., A. Keyhani, 2000, Design Of 42V/3000W Permanent Magnet Synchronous Generator, Ohio State University: 193-194.
[7] Widyan, M. S., 2006. Design, Optimization, Construction and Test of Rare-Earth Permanent-Magnet Electrical Machines with New Topology for Wind Energy Applications. Ph.D Thesis. Berlin University. pp 21.
[8] Caterpillar Inc., 1993, Engine Data Sheet: “Generator Winding Pitch and Harmonics,” USA, 7 halaman.
[9] Uzunoglu, M., C. Kocatepe, R. Yumurtaci, K. Gulez, The Effect of Harmonics on Voltage Stability, www.iee.or.jp/trans/pdf/2002/0205B_616.pdf
[10] Controlled Power Company, 1999, “Harmonics,” http://www.controlledpwr.com/whitepapers/ukharma2.pdf, hal: 1.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar