Abstrak

Generator dapat menghasilkan listrik dengan tiga syarat, yakni : terdapat medan magnet, coil dan adanya perubahan flux yang melewati coil. Tempat untuk meletakkan coil pada generator disebut dengan slot, jumlah slot dapat berpengaruh pada karakteristik generator. Perubahan jumlah slot berpengaruh pada Back EMF dan KE. Simulasi menggunakan kawat lilitan dengan diameter 1 mm. Pada penelitian ini dilakukan perancangan PMSG 12s10p, dan divariasikan slotnya menjadi 15s10p. PMSG 12s10p memiliki 12 slot dengan 188 lilitan, dan 15s10p memiliki 15 slot dengan 158 lilitan. Hasil simulasi menunjukan tegangan DC rata-rata pada PMSG 12s10p, dan 15s10p adalah masing-masing sebesar 256,138 V, dan 277.340 V. Konstansa Elektrik (KE), nilai KE untuk masing-masing variasi PMSG sebesar 2,53 (PMSG 12s10p), dan 2,64 (PMSG 15s10p). Perubahan jumlah lilitan dari setiap slot mengakibatkan perubahan besaran flux magnetic yang dihasilkan. Flux magnetic merupakan bagian dari flux linkage yang menghasilkan tegangan induksi untuk menentukan nilai Back EMF dan KE. Dengan dimensi PMSG yang tetap, variasi jumlah slot yang menghasilkan nilai back EMF dan KE yang paling optimal adalah PMSG 15s10p. Nilai optimal back EMF dan KE menghasilkan tegangan output generator yang lebih besar.

Kata kunci : generator; coil; slot; back EMF, KE

1. Pendahuluan

Generator merupakan salah satu dari mesin listrik yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan memanfaatkan prinsip elektromagnetik. Generator terdiri dari 3 bagian utama yaitu rotor, stator, dan celah udara (Azka, 2013). Rotor merupakan bagian yang berputar, stator merupakan bagian yang diam dan celah udara merupakan celah antara rotor dan stator (Sunarlik, 2017). Generator sinkron magnet permanen (PMSG) adalah generator yang menggunakan permanen magnet untuk menghasilkan flux magnetik, ditunjukkan pada Gambar 1. Generator ini memiliki efisiensi yang tinggi karena tidak terdapat rugi-rugi eksitasi dan biasanya digunakan dalam pembangkit alternative skala kecil misalnya wind turbine (Razi, 2019; Azka, 2013).

Bagian PMSG meliputi enam bagian (Irfan, 2021; Citrasa, 2022). Bagian pertama adalah rotor, rotor merupakan bagian PMSG yang berputar sekaligus sebagai tempat meletakkan permanen magnet. Bagian berikutnya adalah permanent magnet, bagian ini merupakan penghasil medan magnet yang diperlukan dalam pembangkitan tegangan generator. Bagian ketiga adalah stator. Stator merupakan bagian PMSG yang diam, pada stator terdapat beberapa slot untuk meletakkan lilitan/coil, stator terbuat dari bahan feromagnetik agar dapat menangkap fluks magnetik yang dihasilkan permanent magnet pada rotor dan mengalirkannya melalui lilitan/coil sehingga tercipta tegangan induksi (back emf). Stator berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi arus eddy. Slot merupakan bagian keempat, slot merupakan bagian dari stator sebagai tempat meletakan lilitan. Bagian kelima adalah coil, coil atau lilitan terbuat dari kawat tembaga yang dibuat kumparan pada setiap slot, berfungsi untuk menghasilkan dan menyalurkan tegangan induksi menuju beban. Bagian terakhir adalah airgap, bagian ini merupakan celah udara antara rotor dan stator.

Prinsip kerja PMSG mirip dengan generator sinkron hanya saja medan magnetnya dihasilkan oleh permanen magnet bukan dari kumparan eksitasi, jadi tidak terdapat rugi-rugi eksitasi. Konstruksi PMSG berdasarkan arah aliran flux dibedakan menjadi dua tipe yaitu PMSG tipe Radial dan PMSG tipe Axial.

Flux linkage (λ) adalah banyaknya flux magnetik yang melewati lilitan/coil, flux (ϕ) sendiri adalah banyaknya garis-garis gaya pada medan magnet. Flux linkage dapat direpresentasikan pada Persamaan 1. Flux linkage dapat menghasilkan tegangan induksi pada setiap kumparan, dapat dilihat pada persamaan 1 (Bagus, 2021; Chapman, 2012; Buana, 2022).

λ = N. ∅ (1)

dimana λ merupakan flux linkage (wb), N adalah jumlah lilitan, dan ∅ merupakan flux.

Finite Element Method atau FEM adalah sebuah metode komputasi dengan konsep memecah area hitungan tak terhingga menjadi luasan kecil-kecil yang disebut dengan mesh. Setiap luasan mesh akan dihitung parameter-parameter meliputi fluks, suhu, tegangan dll. Perangkat lunak berbasis FEM ini dapat digunakan untuk menganalisis kemampuan dan performa mesin elektromekanikal, seperti generator, motor, levitasi magnet, transformer, induction heating, dan lain-lain.

Back EMF adalah tegangan yang muncul akibat adanya perubahan fluks yang melewati kumparan persatuan waktu atau perubahan flux linkage persatuan waktu. Back EMF dapat direpresentasikan pada pada Persamaan 2 dan Persamaan 3 (Dintaariyadi, 2018; Citrasa, 2022).

ε = −N d∅ dt ⁄ (2)

ε = dλ dt ⁄ (3)

ε merupakan Ggl Induksi (V), sedangkan dλ merupakan perubahan flux linkage (Wb).

Konstanta elektrik (KE) adalah konstanta yang dapat digunakan untuk mempermudah perhitungan nilai back EMF yang dihasilkan oleh generator pada suatu kecepatan tertentu. Konstanta elektrik didapat dari penjabaran hukum Faraday dan kaidah tangan kanan. Ini ditunjukkan padd Persamaan 4 sampai Persamaan 8(Buana, 2022; Irfan, 2021)

ε = B. l. v (4)

ε = B. l. R. ω (5)

ε = B. 2N . R. ω (6)

ε = Ke. ωe (7)

Ke = ε ωe⁄ (8)

dimana Ke merupakan konstanta elektrik (V.s/rad), ε merupakan nilai Back EMF (V), dan ω merupakan kecepatan putar rad/s. Jadi fungsi Ke adalah untuk menyederhanakan perhitungan karena mewakili besarnya medan magnet (B), jumlah lilitan (N), dan jari-jari generator (m).

Winding adalah kegiatan menyatukan coil-coil pada generator agar menghasilkan listrik 3 fasa dengan daya yang maksimal. Winding bertujuan untuk menghubungkan setiap kumparan yang memiliki besar fasa sama atau saling berdekatan agar menghasilkan nilai back EMF yang maksimal. Konfigurasi yang dilakukan pada winding PMSG 12S10P ini adalah concentrated winding Y-connection, dimana pada satu fasa terdapat 4 kumparan yang disusun secara seri. Concentrated winding mempunyai keunggulan berupa rugi-rugi tembaga yang kecil disebabkan penggunaan konduktor yang lebih sedikit daripada jenis distributed winding (Arifianto, 2018).

Penelitian sebelumnya telah dilakukan (Albarohin, 2021). Penelitian ini hanya membahas pengaruh winding pada PMSG. Teknik winding 2 arah (CW dan CCW) menghasilkan kinerja PMSG yang lebih baik. Selanjutnya, penelitian (Soedjanaatmadja, 2019) menganalisis dampak perputaran rotor terhadap nilai back EMF. Pada penelitian-penelitian sebelumnya, dampak jumlah slot dan lilitan belum dibahas, maka penelitian ini menganalisis pengaruh perubahan jumlah slot dan lilitan terhadap nilai back EMF dan KE. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis perubahan jumlah slot dan lilitan pada PMSG untuk mendapatkan nilai back EMF dan KE yang optimal. Nilai back EMF dan KE yang optimal akan menghasilkan output voltage PMSG yang lebih tinggi.

Beberapa penelitian sebelumnya tentang PMSG dibandingkan dengan penelitian ini. Melalui penelitiannya, (Ramadhan, 2021) melakukan perancangan permanent magnet synchronous generator kapasitas 22 kva menggunakan metode Finite Element Method. Penelitian ini hanya membahas PMSG dengan 12 slot 8 pole (12S8P) saja. Parameter yang dianalisis meliputi tegangan, arus, daya masukan, daya keluaran, torsi dan efisiensi generator. Selanjutnya, melalui penelitiannya, (Putri, 2022) melakukan analisis pengaruh material magnet permanent terhadap karakteristik generator sinkron radial 18 slot 16 pole. Kajian ini menginvestigasi pengaruh jenis material: Ceramic Ferrite, Neodymium Iron Boron, Samarium cobalt terhadap efisiensi pada PMSG 12 slot 8 pole (12S8P). Penelitian ini fokus pada topik analisis perubahan jumlah slot pada permanent magnet synchronous generator (PMSG) untuk mencapai nilai optimal back EMF dan KE berbasis Finite Element Method (FEM) dengan tujuan mencari nilai optimal slot-pole dengan variasi nilai 12s10p dan 15s10p.

2. Bahan dan Metode

Penelitian ini menggunakan software berbasis Finite Element Method untuk merancang dan mensimulasikan model original PMSG 12S10P, kemudian jumlah slot nya divariasikan menjadi model PMSG 15S10P. Penambahan jumlah slot akan memperkecil ruang untuk lilitan, maka dari itu jumlah lilitan yang dapat ditampung slot di setiap variasi PMSG harus diperhitungkan. Agar didapatkan hasil yang jelas mengenai pengaruh penambahan slot pada PMSG maka selain parameter jumlah lilitan, semua parameter yang lain dibuat konstan. Adapun material dan spesifikasi PMSG yang akan dibuat ditunjukan pada Gambar 2 dan Tabel 1.

Model PMSG 12S10P memiliki 12 slot lilitan di statornya dan 10 pole magnet di statornya. Selanjutnya adalah menghitung jarak electrical antar coil untuk menentukan konfigurasi winding agar mendapatkan back EMF yang maksimal, perhitungan jarak electrical, grafik fasa antar coil dan winding ditunjukan pada Tabel 2, Gambar 3 dan Gambar 4.

Model PMSG 15s10p merupakan variasi kedua dimana dilakukan penambahan slot menjadi 15 slot pada statornya, perhitungan jarak electrical, grafik fasa antar coil dan winding ditunjukan pada Tabel 3, Gambar 5, dan Gambar 6.

Gambar 2. Design PMSG dan material yang digunakan

Tabel 1. Spesifikasi PMSG

Tabel 2. Perhitungan Jarak Electrical antar Coil PMSG 12s10p

Gambar 3. Design PMSG 12s10p

Gambar 4. Winding PMSG 12s10p

Tabel 3. Perhitungan Jarak Electrical antar Coil PMSG 15s10p

Gambar 5. Design PMSG 15s10p

Gambar 6. Winding PMSG 15s10p

3. Hasil dan Pembahasan

Setelah didapatkan grafik fasa setiap coil, langkah berikutnya adalah pengelompokkan coil atau fasa-fasa tersebut agar didapatkan output 3 fasa dengan jarak electrical setiap fasa adalah 120º. Caranya pertama-tama cari 3 buah induk fasa yang berjarak 120º. Setelah didapatkan fasa induk langkah selanjutnya adalah mengelompokan coil (fasa) yang puncaknya berada paling dekat dengan fasa induk dan jika puncaknya berada berseberangan dengan puncak induk fasa terdekat maka untuk membaliknya cukup dengan membalik arah lilitannya menjadi berlawanan arah jarum jam (counter clockwise) hal ini juga berlaku bagi fasa induk yang puncaknya terbalik maka perlu untuk membalik arah lilitannya, seperti pada PMSG 12s10p Induk fasanya adalah T1, T3 dan T5, puncak T3 ternyata terbalik maka T3 perlu dillit berlawanan arah jarum jam (counter clockwise). Pengelompokan coil dan arah lilitan PMSG 12s10p ditunjukan pada Tabel 4, dan Gambar 4 menunjukan winding pada software design berbasis FEM. Serta fasa setiap coil PMSG 12s10p ditunjukkan pada Gambar 7.

Pada PMSG 15s10p, setiap kumparan mempunyai induk fasa yang sudah berjarak 120º jadi menggabungkannya sesuai urutan pada Tabel 5 dan untuk winding pada software design berbasis FEM ditunjukan pada Gambar 6. Serta fasa setiap coil PMSG 12s10p ditunjukkan pada Gambar 8. Untuk mengetahui berapa banyak lilitan yang bisa ditampung pada slot di setiap variasi maka perlu dilakukan pemodelan dan perhitungan, diameter kawat yang digunakan adalah 1mm. Pemodelan lilitan dapat dilihat pada Gambar 9.

Dari Gambar 9 sampai Gambar 10 diketahui bahwa jumlah lilitan yang dapat ditampung masing-masing variasi PMSG adalah 188, dan 158. Setelah dilakukan design dan setting parameter, dilakukan pemutaran rotor dengan kecepatan 1000 rpm dan didapatkan hasil tegangangan antar fasa dan tegangan DC untuk masing-masing model seperti pada Gambar 11 dan Gambar 12. Tegangan DC diperoleh dari rumus nilai absolut maksimum tegangan antar fasa. Secara numerik, hasil simulasi nilai KE dan VDC rata rata ditampilkan pada Tabel 6.

Tabel 4. Pengelompokan Coil dan Arah lilitan PMSG 12s10p

Gambar 7. Grafik fasa setiap coil PMSG 12s10p

Tabel 5. Pengelompokan coil dan arah lilitan PMSG 15s10p

Gambar 8. Grafik fasa setiap coil PMSG 15s10p

Gambar 9. Jumlah lilitan PMSG 12s10p

Gambar 10. Jumlah lilitan PMSG 15s10p

Gambar 11. Tegangan antar fasa dan tegangan DC PMSG

Gambar 12. Perbandingan VDC PMSG

Tabel 6. VDC Rata-rata dan KE

4. Kesimpulan

Penelitian ini menganalisis pengaruh jumlah slot dan lilitan terhadap nilai back EMF dan KE. Desain Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) menggunakan kawat berdiameter 1mm sebagai lilitan, jumlah lilitan yang dapat ditampung oleh slot masing-masing variasi PMSG adalah sebanyak 188 lilitan untuk PMSG 12s10p, dan 158 lilitan untuk PMSG 15s10p. Tegangan DC rata-rata pada PMSG 12s10p, 15s10p adalah masing-masing sebesar 256,138 V, dan 277.340 V. Konstansa Elektrik (KE) didapatkan dari VDC rata-rata dibagi 104,667 rad/s (konversi 1000 rpm ke rad/s). Nilai KE untuk masing-masing variasi PMSG sebesar 2,53 (PMSG 12s10p), dan 2,64 (PMSG 15s10p). PMSG dengan 15s10p menghasilkan nilai back EMF dan KE yang paling optimal, nilai ini akan menghasilkan tegangan output generator yang paling besar.

Daftar Pustaka

1. Azka, M., & Gunawan, R. (2013). Analisis Perancangan dan Simulasi Generator Sinkron Magnet Permanen dengan Rotor Berlubang. Skripsi, Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
2. Razi, M. F. (2019). Simulasi Permanent Magnet Synchronous Generator 12 Slot 8 Pole dengan Variasi Lebar Teeth dan Jumlah Lilitan Terhadap Tegangan di PT. Lentera Bumi Nusantara. Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang.
3. Sunarlik, W. (2017). Prinsip Kerja Generator Sinkron. Prinsip Kerja Generator Sinkron, 6.
4. Irfan, M., Erwin, & Wiyono, S. (2021). Perancangan Permanent Magnet Synchronous Generator Sultan Wind Turbine V-5. Jurnal Ilmiah Rekayasa Dan Inovasi, 3(2), 131-142. doi
5. Citrasa, I. B. F., & Adnyani, I. A. S. (2022). Pengaruh Ketebalan Magnet Rotor terhadap Back EMF dan Efisiensi Permanent Magnet Synchronous Generator 12S8P. Dielektrika, 9(1), 11-17. doi
6. Bagus, W.C., & Bambang, W. (2021). Simulasi Perubahan Tegangan Keluaran Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) 12s8p Terhadap Variasi Kecepatan Putar Rotor dengan Software Berbasis Finite Element Method (FEM). Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro.
7. Dintaariyadi, V. L. (2018). Analisa Desain Coggingless pada Generator Sinkron Permanen Magnet Menggunakan Software Magnet. Universitas Islam Sultan Agung.
8. Chapman, J. S. (2012). Electric Machinery Fundamental. McGraw-Hill, New York.
9. Arifianto, I., & Rangga, M.H.S. (2018). Analisa Efisiensi dan Rancang Generator Permanent Magnet 12 Slot 8 Pole Menggunakan Software Magnet 7.5. Seminar Nasional Microwave, Antena dan Propagasi (SMAP).
10. Buana, U. C., & Santosa, D. B. (2022).Analisis Pengaruh Lebar Teeth Terhadap Penurunan Nilai Cogging Torque pada PMSG 18S16P. Electrician, 16 (1), 1-8. doi
11. Albarohin, I. A., & Latifa, U. (2021). Analisa Pengaruh Perbedaan Winding terhadap Back EMF dan Ke pada PMSG 18s16p. CIRCUIT: Jurnal Ilmiah Pendidikan Teknik Elektro, 5 (2), 189-200 .http://doi
12. Soedjanaatmadja, A. M., Puspanegara, F. C. A., Hardiansyah, Z., Nainggolan, B., & Jannus, M. (2019). Pengaruh Kecepatan Putar Terhadap Back emf Pada Permanent Magnet Synchronous Generator. Prosiding Seminar Nasional Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta.
13. Ramadhan, A., & Tamam, M. T. (2021). Perancangan Permanent Magnet Synchronous Generator Kapasitas 22 KVA Menggunakan Metode Finite Element Method. Jurnal Riset Rekayasa Elektro, 3(2), 83-90. 10.30595/jrre.v3i2.11516
14. Putri, T. D., & Liliana. (2022). Analisis Pengaruh Material Magnet Permanent Terhadap Karakteristik Generator Sinkron Radial 18 Slot 16 Pole. Jurnal Power Elektronik, 11 (1), 45-50. http://doi