Barometer.
Volume 7 No.
Juli 2022, 61-68
PERANCANGAN PMSG UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK SKALA MIKRO
DENGAN NILAI COGGING TORQUE RENDAH
PMSG DESIGN FOR MICRO SCALE POWER PLANT WITH LOW COGGING
TORQUE VALUE
Ujang Cakra Buana*, 2Dian Budhi Santoso
1, 2
Program Studi Teknik Elektro.
Fakultas Teknik.
Universitas Singaperbangsa Karawang cakra18102@student.
id, 2 dian.
budhi@ft.
INFO ARTIKEL
Diterima: 31 Oktober 2021 Direvisi: 31 Desember 2021 Disetujui: 06 Januari 2022 Kata Kunci:
Cogging torque.
Finite Element Method.
Lebar teeth.
PMSG 18s16p
ABSTRAK
Kebutuhan energi listrik terus meningkat seiring pertumbuhan penduduk.
energi baru terbarukan sangat penting didorong untuk menopang kebutuhan listrik.
Salah satunya dengan pemanfaatan energi angin.
Angin dapat dimanfaatkan untuk menggerakan turbin yang dikopel dengan generator.
Permanent magnet synchronous generator (PMSG) merupakan jenis generator yang sering dipakai dalam pemanfaatan energi angin.
Komponen utama pada PMSG terdiri oleh tiga komponen yaitu stator, rotor dan magent permanen.
Interaksi antara antar komponen menyebabkan riple atau sering disebut dengan fenomena Cogging inilah yang membuat PMSG tidak bekerja dengan sempurna.
Penelitian ini membahas pengaruh lebar teeth terhadap penurunan nilai cogging torque pada PMSG dengan membuat dua desain.
Variasi desain yang digunakan adalah lebar teeth 7 mm dan 4 mm, jenis inti besi Carpenter: Silicon steel.
Permanent magnet synchronous generator 18 slot 16 pole (PMSG 18s16.
Hasil penurunan nilai cogging torque yang didapat adalah 012676 Nm dengan lebar teeth 4 mm.
Untuk analisa numerik menggunakan metode finite element method (FEM).
ABSTRACT
Keywords:
Cogging torque.
Finite Element Method.
PMSG 18s16p.
Teeth width.
The need for electrical energy continues to increase along with population growth.
it is very important to encourage the use of new and renewable energy to support electricity needs.
One of them is the use of wind energy.
Wind can be used to drive a turbine coupled to a Permanent magnet synchronous generator (PMSG) is a type of generator that is often used in the utilization of wind energy.
The main component of PMSG consists of three components, namely the stator, rotor and permanent magnet.
The interaction between the components causes a ripple or often referred to as the cogging phenomenon.
Cogging is what makes PMSG not work perfectly.
This study discusses the effect of teeth width on decreasing the cogging torque value in PMSG by making two designs.
The design variations used are teeth width 7 mm and 4 mm.
Carpenter type of iron core: Silicon steel.
Permanent magnet synchronous generator 18 slot 16 pole (PMSG 18s16.
The result of decreasing the value of cogging torque obtained is 0.
012676 Nm with 4 mm teeth width.
For numerical analysis using the finite element method (FEM).
*Corresponding author: ujang.
cakra18102@student.
PENDAHULUAN
Perkembangan mesin listrik meningkat begitu cepat terutama pada bidang energi terbarukan salah satunya energi listrik yang memanfaatkan sumber dari tenaga yang memiliki kecepatan skala kecil.
Pemanfaatan sumber tenaga yang memiliki kecepatan skala kecil seperti energi angin sangat mungkin untuk dikonversikan menjadi energi listrik.
Dalam konversi angin, dibutuhkan generator yang dapat berputar oleh angin dengan skala kecepatan kecil sekalipun.
Dalam kasus seperti ini inovasi efisiensi generator sangat Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) menjadi mesin listrik yang telah tercipta dengan inovasi terobosan terbaru dalam perkembangan generator.
Penerapan PMSG sangat umum dalam konversi energi DOI: https://doi.
org/10.
35261/barometer.
ISSN: 1979-889X .
ISSN: 2549-9041 .
http://w.
terbarukan skala mikro seperti PLTB.
PLTA.
PLTMH dan lain sebagainya.
Penggunaan PMSG dipilih karena memiliki keunggulan dibandingkan mesin lainya seperti penggunaan magnet permanen yang dapat meningkatkan daya efisiensi yang tinggi pada generator .
Meskipun potensi angin di Indonesia tidak besar, namun banyak daerah yang memiliki potensi angin yang cukup untuk dikonversi menjadi energi listrik.
Kecepatan rata-rata angin di Indonesia sekitar 3 m/s .
Akan tetapi, kelemahan PMSG adalah nilai cogging torque yang ditimbulkan oleh permanen magnet pada rotor.
Cogging torque memiliki sifat menarik yang mengakibatkan rotor berat untuk digerakkan ketika mendapat gaya yang kecil.
Hal seperti ini mempengaruhi pada start awal untuk menggerakkan generator dengan Nilai cogging torque pada PERANCANGAN PMSG UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK SKALA MIKRO DENGAN NILAI COGGING TORQUE
RENDAH
PMSG terjadi akibat interaksi fluks magnet rotor dengan variasi permensi .
emampuan material menyalurkan fluks magnet pada area air ga.
Akibatnya magnet permanen memiliki kecenderungan untuk menarik stator walaupun dalam keadaan tidak bergerak .
Nilai cogging torque pada PMSG tidak dapat diturunkan hingga 100%, namun toleransi penggunaan pada skala mikro sebesar 2% dari torque beban nol.
Pada penelitian sebelumnya Yudha Suherman dan Tajudin Nur
AuPENGARUH PEMANGKASAN UJUNG MAGNET
PERMANEN DAN AXIAL CHANEL PADA INTI ROTOR
TERHADAP TORKA COGGING TIPE FRACTIONAL
SLOT NUMBER sudah dilakukan penelitian mengenai penurunan cogging torque dengan cara memangkas ujung magnet permanen.
Penurunan nilai cogging torque dapat disiasati dengan cara merekayasa lebar teeth, pemangkasan permukaan rotor dan lain-lain.
Cara merekayasa lebar teeth dimungkinkan untuk memperoleh nilai penurunan cogging torque yang maksimal.
Dalam penelitian ini, pengaruh lebar teeth terhadap penurunan nilai cogging torque pada PMSG 18s16p akan dikaji.
Bentuk desain PMSG 18s16p yang akan dikaji adalah dengan mendesain dua buah PMSG dengan jumlah 18 slot dan 16 pole yang dianalisis menggunakan Finite Element Method (FEM).
II.
METODE PENELITIAN
Dalam penelitian ini, dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh lebar teeth terhadap penurunan cogging torque pada PMSG 18s16p.
Sebelum membahas lebih dalam alangkah baiknya terlebih dahulu memahami mengenai teori dari PMSG sebagai penunjang penelitian, diantaranya sebagai berikut:
Gambar 1 Desain PMSG Kontruksi PMSG Generator sinkron magnet permanen adalah mesin listrik 3 fasa sama seperti generator magnet induksi pada Perbedaanya adalah penggunaan magnet permanen pada rotor untuk menghasilkan flux magnet saat rotor diputar.
Kontruksi dari PMSG tidak serumit yang dibayangkan seperti halnya generator magnet induksi.
Pada rotor PMSG magnet yang digunakan adalah magnet yang memiliki kekuatan yang tinggi .
Gambar konstruksi dapat dilihat pada Gambar 2 berikut:
Permanent Magnet Synchronous Generator Permananent Magnet Synchronous Generator (PMSG) memeiliki desain kontruksi hampir mendekati kesamaan dengan generator pada umumnya .
Pembeda antara PMSG dengan generator sinkron konvesional lainnya terletak pada rotornya.
Generator magnet permanen flux radial dapat beroperasi pada putaran tinggi dan putaran Keuntungannya terletak pada kemudahan dalam instalasi magnet permanen pada rotor dan biasa dimanfaatkan pada pembangkit listrik didaerah yang memiliki kecepatan putaran yang rendah .
Generator sinkron magnet permanen dibangkitkan oleh magnet permanen sebagai penghasil medan magnet pada rotor.
Flux magnet dihasilkan dari magnet permanen yang mengalir melalui rotor melewati air gap menuju ke stator sehingga menghasilkam gaya gerak magnet (GGM) dari kutub magnet secara axial dan radial.
Generator jenis ini banyak sekali dijadikan bahan penelitian oleh para peneliti karena memiliki keunggulan yang sangat signifikan dan biasanya digunakan untuk aplikasi wind turbine.
Gambar desain PMSG dapat dilihat pada Gambar 1.
DOI: https://doi.
org/10.
35261/barometer.
ISSN: 1979-889X .
ISSN: 2549-9041 .
http://w.
Gambar 2 Kontruksi PMSG Adapun keterangan dari Gambar 2 yaitu:
Stator adalah komponen PMSG yang tidak Slot adalah tempat untuk menempatkan lilitan Permanen magnet berfungsi sebagai eksitasi fluks pada PMSG.
Fluks barrier berfungsi sebagai pengeblok fluks magnet pada rotor.
Barometer.
Volume 7 No.
Juli 2022, 61-68 Rotor adalah komponen yang bergerak pada PMSG.
Air box adalah ruang udara dalam ruang PMSG.
Air gap adalah celah udara antara rotor dengan Teeth adalah dinding batas antar slot.
Dimana:
f : Frekuensi (H.
p : pole n : Kecepatan putar rotor .
Cogging Torque Generator menghasilkan atau menyerap torsi secara maksimal.
Hal ini diakibatkan oleh adanya gejala ripple saat generator bekerja.
Salah satu penyebab dari gejala ripple adalah fenomena cogging .
Fenomena cogging adalah gejala yang diakibatkan interaksi flux magnet rotor dengan variasi permeansi ( kemampuan material menyalurkan flux magnet pada area air ga.
Fenomena ini menjadi faktor timbulnya nilai cogging torque.
Adanya cogging torque pada rotor pada mesin listrik dengan permanen magnet memiliki kecenderungan untuk menarik stator walaupun dalam kondisi tidak bergerak .
Untuk persamaan yang digunakan adalah Persamaan .
sebagai berikut:
( * &
yua!"# .
cAyc.
= % , yc &yO = % yaA, yc , - &yO Dimana:
E cog :Cogging torque r :Flux remanen tegak lurus arah magnetisasi di dalam magnet :Gaya magnet (N) yO :Posisi rotor dalam derajat mekanik :Titik potong pada sumbu B dari kurva BH :Panjang magnet sesuai arah magnetisasi AA0 :Permeabilitas ruang bebas AAr :Permeabilitas relatif dari material magnet :Flux yang dihitung Finite Element Method Finite Element Method (FEM) adalah suatu metode numerik yang dipakai di dunia teknik maupun sains untuk menyelesaikan persamaan matematika.
Bidang masalah tersebut adalah analisis struktural, aliran fluida, serta potensi FEM dapat memecahkan masalah dengan membagi sistem besar menjadi bagian-bagian yang lebih kecil, lebih sederhana yang dikenal sebagai elemen hingga .
inite elemen.
Menentukan Jumlah Pole Rotor Rotor memiliki jumlah magnet yang tersusun dengan beda kutub.
Kegunaannya adalah ketika lilitan pada stator diberikan sumber listrik maka akan terjadi gaya gerak magnet (GGM) pada susunan magnet.
Gaya gerak magnet ini terjadi akibat induksi elektromagnetik pada stator core .
Untuk menentukan berapa jumlah pole pada rotor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan .
f= x DOI: https://doi.
org/10.
35261/barometer.
ISSN: 1979-889X .
ISSN: 2549-9041 .
http://w.
Menentukan Jenis Magnet Magnet permanen yang dipakai pada penelitian ini adalah jenis NdFeb (Neodymium Iron Boro.
Magnet jenis ini memiliki produksi energi (Bhma.
cukup tinggi sekitar 440 KJ/m3 .
Namun tidak menutup kemungkinan menggunakan jenis magnet yang lain sesuai dengan kebutuhan pada PMSG.
Tipe Penelitian Penelitian ini merupakan pengembangan dari penelitian yang sudah ada, sekaligus untuk memecahkan masalah mengenai krisis energi.
Penelitian menggunakan simulasi untuk menganalisis desain PMSG yang dibuat dengan analisis numerik menggunakan metode FEM.
Peneliti menggunakan dua desain yang mengadopsi desain yang sudah ada.
Pada penelitian sebelumnya Yudha Suherman dan Tajudin Nur .
AuPENGARUH
PEMANGKASAN UJUNG MAGNET PERMANEN DAN
AXIAL CHANEL PADA INTI ROTOR TERHADAP
TORKA COGGING TIPE FRACTIONAL SLOT NUMBER
menggunakan desain slot sebanyak 24 dan pole sebanyak 18 dengan fokus penelitian pada pemangkasan ujung magnet permanen, kemudian peneliti membuat desain PMSG dengan jumlah slot sebanyak 18 dan pole sebanyak 16 dengan fokus penelitian pada pengaruh lebar teeth.
Jenis Data Dalam penelitian ini, data diambil dengan beberapa metode yaitu:
Observasi, yaitu pengamatan dan percobaan pada objek yang akan diteliti dengan cara menganalisis desain PMSG mengenai nilai cogging torque kemudian menjadi dasar dalam mendesain PMSG.
Studi kepustakaan, menggunakan literatur yang berkaitan dengan perancangan PMSG.
Waktu dan Lokasi Penelitian Penelitian dilakukan di PT.
Lentera Bumi Nusantara selama 1,5 bulan.
Penelitian berfokus pada perancangan PMSG yang berkaitan dengan nilai cogging torque.
Flow Chart Penelitian Adapun flow chart dalam penelitian menggunakan terbagi menjadi dua yaitu, flow chart penelitian dan simulasi dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
PERANCANGAN PMSG UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK SKALA MIKRO DENGAN NILAI COGGING TORQUE
RENDAH
Gambar 4 Flow chart simulasi Gambar 3 Flow chart penelitian Pafda Gambar 3, tampak bahwa penelitian dimulai dengan studi literatur dengan tujuan menemukan informasi dari referensi utama dan pendukung yang sesuai dengan masalah yang telah dirumuskan.
Selanjutnya dilakukan perumusan masalah mengenai nilai cogging torque pada PMSG 18s16p yang menjadi permasalahan dalam perancangan generator.
Dalam penentuan masalah juga dikumpulkan data-data mengenai nilai cogging torque pada desain PMSG pada umumnya.
Langkah selanjutnya mensimulasikan desain yang dibuat engan membandingkan nilai cogging torque dari kedua desain.
Flow chart simulasi dapat dilihat pada Gambar 4.
Dari data simulasi, data akan diolah dan dinalisis untuk disimpulkan dari kedua desain.
Jika nilai cogging torque masih didapat nilai yang besar, maka akan dilakukan langkah simulasi lagi.
Tahap simulasi dimulai dengan studi literatur, dengan tujuan mengumpulkan data mengenai perancangan PMSG 18s16p mengenai penelitian yang berhubungan dengan cogging torque.
Dalam taham pemodelan PMSG 18s16p menggunakan software design electromgnetic berbasis finite element method (FEM).
Hasil data simulasi akan diolah, apabila nilai cogging torque kecil maka akan diambil kesimpulan dan selesai.
Apabila nilai yang didapat masih besar maka akan diulangi pemodelan lagi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil nilai cogging torque yang didapat dari kedua desain lebar teeth PMSG 18s16p adalah desain pertama mendapatkan nilai cogging torque sebesar 0.
026034 Nm.
Sedangkan desain kedua mendapatkan nilai cogging torque 012676 Nm.
DOI: https://doi.
org/10.
35261/barometer.
ISSN: 1979-889X .
ISSN: 2549-9041 .
http://w.
Penentuan Dimensi Dalam penelitian ini, penentuan dimensi sangat penting untuk ditentukan dalam perancangan PMSG.
Karena sangat mempengaruhi pada hasil simulasi PMSG adalah dimensi stator, rotor, serta dimensi magnet permanen yang digunakan.
Dimensi dari stator, rotor dan magnet permanen akan mempengaruhi nilai besar kecilnya cogging Penentuan dimensi PMSG 18S16P dapat dilihat pada tabel 1 berikut:
TABEL I
PARAMETER PMSG 18S16P
Keterangan Tebal Stator Tebal Teeth Lebar Teeth Tinggi Teeth Diameter Rotor Panjang Magnet Tebal Magnet Tinggi Magnet Air Gap Air Box Tebal PMSG Jumlah Slot Sudut Slot Jumlah Pole Sudut Pole Diameter Stator Ukuran 40 mm 40 mm 7 & 4 mm 14 mm 98 mm 14 mm 3 mm 1 mm 180 mm 40 mm 18 slot 20 deg 16 pole 5 deg Gambar Desain Gambar desain merupakan tahapan untuk bentuk geometri stator, lebar teeth, rotor, magnet, slot, air gap, serta air box.
Desain PMSG 18s16p dibuat menggunakan software design electromagnetic.
Dalam gambar desain akan dibuat dua desain lebar teeth PMSG 18s16p pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Barometer.
Volume 7 No.
Juli 2022, 61-68 Gambar 5 dan 6 di bawah ini merupakan desain sketch dari PMSG yang akan diteliti.
Dalam membuat desain digunakan material carpenter: silicon steel untuk stator core dan rotor core.
Air untuk fluks barrier, air gap dan air box, copper:
77e7 siemens/meter.
Gambar 7 Hasil inisialilasi desain lebar teeth 7 mm Gambar 5 Desain lebar teeth 7 mm Gambar 8 Hasil inisialisasi desain lebar teeth 4 mm Gambar 6 Desain lebar teeth 4 mm Desain didapat sudut slot sebesar 20 deg/mech dan sudut pole sebesar 22.
5 deg/ mech.
Cara menetukan sudut slot dapat dicarai menggunakan persamaan .
sedangkan menentukan susut pole menggunakan persamaan .
adalah sebagai berikut:
slot = 21.
A 4 5("6 21.
A pole = 4 /".
Inisialisasi dan desain geometri Inisialisasi dan desain geometri adalah tahap untuk menentukan material yang digunakan pada bagian desain Pada tahap ini juga ketebalan dari setiap komponen di setting.
Apabila terdapat desain yang tidak terinisialisasi, maka desain tidak bisa disimulasikan.
Dapat dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8 berikut:
DOI: https://doi.
org/10.
35261/barometer.
ISSN: 1979-889X .
ISSN: 2549-9041 .
http://w.
Pengaturan Meshing Pengaturan meshing bertujuan untuk mendapatkan hasil simulasi yang nilai yang akurat.
Setiap bagian desain komponen PMSG memiliki nilai mesh yang sama yaitu 3 mm.
Hasil pengaturan mesh dapat dilihat pada Gambar 9 dan Gambar 10 berikut:
Gambar 9 Meshing desain lebar teeth 7 mm PERANCANGAN PMSG UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK SKALA MIKRO DENGAN NILAI COGGING TORQUE
RENDAH
Tcog= 32 x 0.
= 3.
Gambar 10 Meshing desain lebar teeth 4 mm Simulasi cogging torque Desain
PMSG
menggunakan 18 slot dan 16 pole, sehingga menghasilkan cogging torque sebanyak 114 kali.
Jumlah cogging torque ini didapat dari KPK 18 slot dan 16 pole.
Maka besar sudut satu gelombang penuh simulasi cogging torque adalah:
mech = 4 8"##90# 21.
A mech = $$: = 3.
Gambar 12 Contour dan shade plot desain lebar teeth 7 mm .
Nilai 3.
15 dapat dibulatkan menjadi 3.
2 , maka dengan memutar rotor sejauh 3.
2 akan didapat satu gelombang penuh simulasi cogging torque.
Sedangkan untuk mendapatkan nilai sudut satu step putaran mekanikal didapat dengan cara:
% A
mech = 2% 567/ = 0.
Pembagian titik difungsikan agar nilai perhitungan akurat dan saat rotor diputar akan bertemu titik mesh.
Waktu yang dibutuhkan dalam satu gelombang cogging torque dicari dengan cara:
5<&<6 567/ !"##90# 6"-=<7A
!"#
$"%
Untuk simulasi cogging torque menggunakan software design electromagnetic.
Dalam simulasi kuparan tidak mempengaruhi nilai hasil cogging torque, hasil dapat dilihat pada Gambar 12 dan Gambar 13.
Variasi desain lebar teeth Untuk variasi desain lebar teeth secara solid dapat dilihat pada Gambar 14 dan Gambar 15 berikut:
Gambar 11 Pembagian titik celah udara Gambar 13 Contour dan shade plot desain lebar teeth 4 mm PMSG 18s16p dengan lebar teeth 7 mm .
$ A t = $, = 0.
Dari perhitungan tersebut, waktu untuk satu step mekanikal membutuhkan waktu 0.
Maka untuk satu gelombang cogging torque penuh dengan 32 step putaran membutuhkan Gambar 14 Desain PMSG dan contour lebar teeth 7 mm DOI: https://doi.
org/10.
35261/barometer.
ISSN: 1979-889X .
ISSN: 2549-9041 .
http://w.
PMSG 18s16p dengan lebar teeth 4 mm Barometer.
Volume 7 No.
Juli 2022, 61-68 Gambar 15 Desain PMSG dan contour lebar teeth 4 mm Hasil Hasil simulasi dihitung menggunakan aplikasi Ms.
Exel guna mendapatkan perhitungan yang akurat dapat dilihat pada Gambar 16.
Dari kedua desain lebar teeth PMSG diperoleh nilai peak positive dan peak negative masingmasing:
Lebar teeth .
Cog max (N.
Cog min (N.
Cog torque (N.
Pada Tabel II dan Gambar 17 dapat dilihat hasil simulasi dari cogging torque yang paling besar adalah desain PMSG 18s16p dengan lebar teeth 7 mm .
og torque .
dengan nilai cogging torque 0.
026034 Nm.
desain PMSG 18s16p dengan lebar teeth 4 mm .
og torque .
dengan nilai cogging torque 0.
012676 Nm.
Pengaruh lebar teeth terhadap penurun nilai cogging torque pada PMSG 18s16p akan mengakibatkan kerja turbin pada generator dikecapatan angin yang rendah tetap berputar.
IV.
KESIMPULAN
Salah satu cara meminimalisir nilai cogging torque yaitu dengan merekayasa lebar teeth PMSG 18s16p.
Cara mengetahuinya dengan membuat dua variasi desain lebar Pengaruh penurunan nilai cogging torque pada PMSG 18s16p mengakibatkan kerja turbin pada generator dikecepatan angin yang rendah tetap berputar pada start Hasil desain penurunan nilai cogging torque pada PMSG 18s16p memiliki nilai sebesar 0.
012676 Nm.
UCAPAN TERIMA KASIH