JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) h t t p : / / e j o u rn a l .u n p . a c. i d / i n d e x . ph p / j t e v Vol. 7 No. 2 (2021) E-ISSN: 2302-3309 P-ISSN: 2746-6086

## Simulasi Pengujian Kinerja Kendali Pitch Turbin Angin Berbasis Matlab Simulink
Nuryanti 1* , Abyanuddin Salam 1 , Adrian Julianto 1
1 Politeknik Manufaktur Bandung *nuryanti@polman-bandung.ac.id

## Abstrak
Angin  adalah  salah  satu  sumber  energi  terbarukan  yang  memiliki  potensi  cukup  besar  untuk  dimanfaatkan.  Dalam pengoperasiannya turbin angin memiliki range kecepatan angin kerja yaitu cut-in dan cut-off. Kecepatan angin melebihi cut-off dapat membahayakan komponen penyusun turbin angin akibat  lonjakan energi  yang dihasilkan. Maka dari  itu, diperlukan mekanisme pengaturan kecepatan turbin dengan kendali pitch angle. Untuk meminimalisir faktor kegagalan dalam  penelitian,  digunakanlah  simulasi  ujicoba  untuk  mendapatkan  hasil  yang  terbaik  sebelum  direalisasikan. Perancangan sistem kendali pitch angle agar turbin  dapat melakukan pengereman  saat kecepatan angin  melebihi  batas cut-off  turbin.  Simulasi  kendali  pitch  turbin  angin  berbasis  matlab  Simulink  dimana  pergerakan  mekanis  nya  dapat dianimasikan  sehingga  dapat  ditinjau  secara  visual.  Dengan  menggunakan  bilah  tipe  NACA  0015 dan  panjangnya  40 cm  disimulasikan  pergerakan  putaran  beserta  system  kendalinya  dengan  menggunakan  system  fisik  pneumatic  dan system  fisik elektrik.  Hasil penelitian  berupa rancangan konstruksi  mekanik turbin angin  yang disematkan  mekanisme pengubah pitch angle menggunakan dua jenis aktuator yaitu silinder pneumatik dan motor stepper. Turbin angin harus dapat melakukan pengereman ketika kecepatan angin diatas 20 m/s serta kecepatan rotasi tidak diperbolehkan melebihi 40 RPM.  Dengan mengubah-ubah variable kecepatan angin dapat diketahui respon pengereman  jika kecepatan di atas 20m/s.  Pengujian  lainnya  yaitu  jika  menggunakan  salah  satu  kecepatan  angin  yang  dibuat  konstan  arah  dan kecepatannya,  dengan  mengubah-ubah  sudut  serang    dari  sudut  -90 o sampai  +90 o akan  diperoleh  kecepatan  putar maksimal saat sudut  bilah 18 o . Dari simulasi  ini  didapatkan pula  hasil respon pengereman dimana actuator pneumatic memiliki waktu respon  1.7 detik sedangkan actuator elektrik 2 detik, dengan demikian respon aktuator pneumatik lebih baik daripada aktuator elektrik. Dari simulasi diambil kesimpulan hasil yang lebih baik untuk mengimplementasikan ke benda fisik dengan bilah tipe NACA 0015, panjang 40 cm, maka kemiringan putar bilah 18 o dan untuk system control menggunakan pneumatik.
Kata kunci: turbin angin, kontrol pitch, sistem kendali pneumatik, sistem kendali elektrik, kecepatan cut-off

## Abstract
Wind is a renewable energy source that has considerable potential to be utilized. In operation, the wind turbine has a working  wind  speed range, namely cut-in  and cut-off. Wind  speeds exceeding  the cut-off can harm the components of the wind turbine due to the surge in energy produced. Therefore, a turbine speed control mechanism with pitch angle control  is  needed.  To  minimize  the  failure  factor  in  research,  simulation  is  used  for  testing  and  get  the  best  results before  they  are  realized.  By  using  blade  type  NACA  0015  with  40  cm  lengt  the  movement  of  the  blade  could  be animated and visualialized during controlled by pneumatic or electric system.  By the simullation The system design is pitch angle control  with the aim that the turbine can brake when the wind speed exceeds the turbine cut-off limit. The result  of  this  research  is  a  wind  turbine  mechanical  construction  design  embedded  with  a  variable  pitch  angle mechanism using a pneumatic cylinder and stepper motor. The wind turbine must be able to brake when the wind speed is above 20 m/s and the rotation speed must not exceed 40 RPM. The other experiment is by varying anggle of attack from -90 o sampai  +90 o and  give  maximum  rotation  speed  result  at  18 o angle  of  blade . This test  simulation  produces time  braking  for  pneumatic  and  electric  1.7seconds  and  2  seconds  respectively.  In  small  scale  turbines,  pneumatic actuators  produce  a  better  response  than  electric  actuators.  From  the  simulation  gived  result  that  for  physical implementation  which  using  blade  type  NACA  0015  with  40  cm  length  the  twitst  angle  of  blade  at  18 o and  control system should pneumatic.
Keywords: wind turbine, pitch control  pneumatic control system, electric control system, cut-off speed
JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252

## PENDAHULUAN
Persediaan  sumber  energi  fosil  dimana  dari  hari  ke  hari  semakin  menipis  dapat  mengakibatkan  krisis energi  di  masa  mendatang.  Oleh  karena  itu  hadirnya  energi  baru  dan  terbarukan  menjadi  hal  yang  penting untuk dikembangkan. Indonesia merupakan salah satu negara kepulauan yang memiliki potensi energi angin cukup  besar  hingga  9,29  GW  menurut  Blueprint  Pengelolaan  Sumber  Energi  Nasional  2005-2025  dengan kecepatan angin lebih dari 5 m/s [1], [2]. Oleh karena itu, inovasi turbin angin sebagai sistem konversi energi angin  (SKEA)  perlu  mendapat  perhatian  khusus[3].  Usaha  untuk  menangkap  angin  semaksimal  mungkin, pada  sebuah  turbin  angin  dapat  ditambahkan  sistem  kendali  yaw,  sistem  kendali  pitch,  maupun  kombinasi dari  keduanya[4].  Dalam  hal  pengoperasian  turbin  angin  terdapat  kecepatan  angin  kerja  minimal  (cut-in) hingga  kecepatan  angin  kerja  maksimal  (cut-off)  yang  berada  pada  kisaran  3  m/s  sampai  20  m/s[2],  [5]. Kecepatan  angin  melebihi  cut-off    dapat  membahayakan  komponen  penyusun  turbin  angin  akibat  lonjakan energi  yang  dihasilkan  dan  juga  faktor  kekuatan  penahan  akibat  lonjakan  momen  inersia  serta  torsi  yang sangat  tinggi[6].  Maka  dari  itu,  pada  sebuah  turbin  angin  diperlukan  mekanisme  pengereman  dengan mengendalikan  sudut  pitch  pada  turbin[3],  [7].  Namun  eksperimen  yang  melibatkan  pembuatan  alat  secara langsung membutuhkan biaya yang tidak sedikit, oleh karena itu diperlukan simulasi yang dapat mengubah- ubah  variabel  mekanis  untuk  mendapatkan  hasil  yang  terbaik  sebelum  direalisasikan.  Selain  itu,  pada umumnya pengujian kinerja turbin yang diujicobakan pada range kecepatan angin dari cut-in hingga cut-off memerlukan  terowongan  angin  dengan  sistem  pengaturan  kecepatan  angin  maupun  rekayasa  permukaan terowongan  angin  agar  aliran  fluida  udara  tetap  laminar[8],  [9].  Pada  kondisi  lab  yang  belum  memiliki fasilitas  turbin  angin  maka  kendala  pengadaan  terowongan  angin  dapat  diatasi  dengan  pengaplikasian simulasi  didalam  komputer.  Pemodelan  turbin  angin  beserta  sumber  angin  ini  akan  dikembangkan menggunakan  software  MATLAB  Simulink  R2020a  agar  lebih  mudah  dalam  membuat  simulasi  fisik. Rancangan aktuator yang digunakan pada kendali pitch menggunakan sistem pneumatik dan elektrik. Hal ini dipilih karena aktuator tersebut memiliki beberapa keuntungan  terutama pada skala kecil jika dibandingkan aktuator  hidrolik  seperti  kemudahan  dalam  pemeliharaan,  keamanan,  teknik  pemrograman  yang  mudah, kebersihan, dan usia kerja yang relatif panjang. Namun sistem pneumatik memiliki karakteristik  yang tidak linear[7].  Pada  penelitian  ini  juga  akan  diperbandingkan  antara  sistem  penggerak  menggunakan  pneumatik maupun  menggunakan  motor  stepper  dalam  membuat  perubahan  pitch  angle  pada  blade  karena  masing- masing  sistem  penggerak  akan  memiliki  keuntungan  serta  kerugiannya.  Sehingga  tujuan  dari  penelitian  ini adalah untuk mendapatkan parameter desain sudut bilah yang paling optimal pada kecepatan dan arah angin yang konstan, menentukan desain mekanis yang tepat untuk masing-masing aktuator pneumatik dan elektrik serta  kinerja  masing-masing  sistem  kontrol  sehingga  dapat  diketahui  mana  yang  lebih  baik  secara  teknis. Adapun  manfaat  dari  penelitian  ini  adalah  dapat  memberikan  kontribusi  dalam  pengembangan  energi  baru terbarukan yang bersih dan dapat menjadi solusi krisis energi fosil.
Turbin  angin  adalah  alat  konversi  energi  tertua  di  dunia.  Turbin  angin  adalah  suatu  jenis  mesin  yang mengkonversi energi angin menjadi energi mekanik berupa putaran. Putaran turbin ini akan diteruskan pada generator  induksi  sehingga  dapat  menghasilkan  energi  listrik[10].  Turbin  angin  modern  diklasifikasikan kedalam dua jenis berdasarkan prinsip gerak rotornya yaitu turbin angin sumbu vertikal (Gambar 1) dan dan turbin  angin  sumbu  horisontal  (Gambar  2).  Pada  penelitian  ini,  turbin  angin  yang  dibahas  berjenis  sumbu horisontal.
Gambar 1. Turbin Angin Sumbu Vertikal[11]

## Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto
JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
Udara yang bergerak melewati baling-baling mendorong sudu dengan arah yang tegak lurus dari vektor gaya angin sehingga baling – baling akan mendapatkan gaya putar. Kecepatan rotor dari turbin angin tipe ini dapat dikendalikan  dengan  melakukan  pengaturan  sudut  antara  chord  line  dengan  sumbu  longitudinal  yang  biasa disebut dengan pitch sudu. Kendali pitch seperti ini merukapan cara yang efektif untuk mengatasi overspeed ketika kecepatan angin cukup tinggi[12].
Gambar 2. Turbin Angin Sumbu Horisontal [12]
Adapun persamaan Berikut ini adalah persamaan – persamaan yang digunakan dalam perhitungan analisis kinerja  turbin  angin.  Pada  persamaan  (1)  hingga  (4)  meliputi  persamaan  konversi  energi  dimana  E k adalah energi kinetik dari angin [7]
(1)
Dimana  m  adalah  massa  dari  udara  dan  v(velocity)  adalah  kecepatan  angin.  Sedangkan  laju  aliran  massa dapat ditulis sebagai berikut:
(2)
Dengan  ρ  adalah  massa  jenis  udara  (1,225  Kg/m3),  A  adalah  luas  penampang  yang  dilalui  angin  selama waktu  tertentu  t  dan  v  adalah  kecepatan  angin.  Dengan  memasukan  persamaan  (1)  ke  (2)  dapat  ditulis sebagai berikut:
(3)
Atau dengan membagi dengan satuan waktu diperoleh daya (P) :
(4)
Adapun parameter penting lainnya pada turbin angin tipe horisontal adalah tip speed ratio (λ) adalah nilai perbandingan kecepatan terluar pada ujung sudu terhadap kecepatan angin.

## (5)
Desain  blade  memiliki  peranan  penting  pada  kinerja  turbin  angin.  Ini  dikarenakan  bentuk  profil  blade mempengaruhi  gaya  yang  dihasilkan.  Hal  ini  akan  mempengaruhi  putaran  yang  dihasilkan  oleh  turbin. Adapun gaya yang menyebabkan bilah berputar adalah gaya lift (F L ) dan gaya drag (F D ) , dengan persamaan dibawah ini[13].
(6)
Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
Gambar 3 dibawah ini adalah gambaran gaya lift dan drag pada sebuah airfoil blade.
Gambar 3. Gambaran gaya lift dan drag
Turbin dapat berputar dikarenakan adanya torsi yang dihasilkan dari setiap sudu. Torsi adalah hasil kali dari gaya resultan (Fres) yang tegak lurus dengan sumbu putar rotor dengan panjang lengan gaya (r).
(8)
Untuk mendapatkan gaya resultan pada profil sudu, gaya lift dan gaya drag perlu diproyeksikan pada sumbu x dan sumbu y. Maka untuk mendapatkan besaran gaya Fx dan Fy dapat dicari dengan persamaan berikut ini.
(9)
(10)
Berikut ini adalah gambaran proyeksi gaya lift dan drag pada sumbu x dan y.
Gambar 4. Proyeksi gaya lift dan drag
Pada  penelitian  ini,  digunakan  software  MATLAB  Simulink  untuk  membuat  simulasi  sistem  yang telah  dijabarkan  diatas.  Pada  proses  penyusunannya,  diperlukan  pemahaman  sistem  secara  real  serta komponen  –  komponen  yang  tersedia  pada  Simulink.  Seluruh  komponen  digantikan  dengan  komponen- komponen  Simulink  yang  sesuai  dengan  fungsinya.  Ketersediaan  komponen  Simulink  sudah  sangat mendukung  untuk  berbagai  macam  model  sistem  fisis,  sehingga  pada  tahap  perancangan  tidak  diperlukan pembuat  program  baru  untuk  memodelkan  sebuah  komponen.    Agar  dapat  terlihat  secara  jelas  hasil perancangan mekanik serta kontrol sudut pitch pada turbin angin ini, dibuatlah simulasi secara fisis.  Sistem ini  terdiri  dari  4  subsistem  utama  yaitu  bagian  sensing,  kontrol,  sistem  aktuator  baik  pneumatik  maupun elektrik,  dan  terakhir  adalah  plant  turbin.  Untuk  sensor  misal  diambil  antara  lain  sensor  posisi  translasi, sensor putaran

## (a) (b)
Gambar 5. Komponen yang memodelkan sensor pada Simulink ; a) sensor posisi translasi, b) sensor putaran,
Sedangkan untuk besaran fisis seperti kecepatan angin dapat juga dimodelkan pada blok system dan signal builder seperti ditunjukkan pada Gambar 6
Gambar 6 . Subsistem angin beserta komponen penyusun didalamnya; a) Blok subsistem, b) Signal builder besaran angin,
Sedangkan  untuk  system  mekanik  control  pneumatik  dimana  ada  tuas  yang  menghubungkan  ketiga  bilah  ( linkage  pushrod )  maka  dirangkai  3  buah lingkage  pushrod untuk  masing-masing  bilah  seperti  yang diperlihatkan  pada  Gambar  7.  Sedangkan  untuk  system  elektrik  yang  menggunakan  motor  stepper,  maka blok simulasinya dengan menggunaan blok motor dan system gir (Gambar
Gambar 7. Subsistem linkage pushrod pneumatik beserta komponen penyusunnya
Gambar 8. Subsistem motor stepper dan mekanisme gear beserta komponen penyusunnya

## Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto
JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
Dengan simulasi ini maka tujuannya akan mendapatkan desain terbaik yang siap untuk direalisasikan ke  benda  nyata.  Dalam  hal  ini  seberapa  besar  sudut  putar  bilah  yang  akan  diterapkan  dan  pilihan  system control  pitch  yang  terbaik  dari  pneumatic  dan  elektrik,  karena  pilihan  control  ini  memberikan  konsekuensi pembuatan  system  transmisi  mekanik  yang  berbeda.  Sehingga  memiliki  manfaat  pada  perbaikan  kinerja turbin angin secara keseluruhan.

## METODE PENELITIAN
Dalam  melakukan  perancangan  sistem  tentu  perlu  melewati  tahapan  –  tahapan  yang  jelas.  Setelah  tema penelitian  ditentukan,  tahapan  pertama  yang  dilakukan  adalah  melakukan  studi  literatur.  Studi  literatur bertujuan  untuk  mendapatkan  berbagai  data  yang  diperlukan,  baik  untuk  mendukung  latar  belakang penelitian,  landasan  teori,  ataupun  metode  yang  akan  digunakan  untuk  menyelesaikan  permasalahan. Tahapan  berikutnya  adalah  perancangan  mekanik  turbin.  Untuk  menyelesaikan  penelitian  ini  dipilihlah software  MATLAB  Simulink  untuk  membangun  simulasi  turbin.  Tahap  ketiga  adalah  pengujian  hasil perancangan  yang  dilakukan  per  bagian.  Pada  bagian  ini,  program  kendali,  gerakan  aktuator  pneumatik maupun  elektrik,  serta  mekanisme  turbin  angin  diuji  secara  terpisah.  Pengambilan  data  –  data  keluaran sistem  berupa  kecepatan  putaran  juga  dilakukan  pada  pengujian  sub  sistem  mekanisme  turbin  ini.  Tahap keempat adalah pengujian keseluruhan sistem secara terintegrasi. Pada bagian ini, sistem diuji agar mencapai tujuan  yang  ditentukan.  Kemudian  tahap  terakhir  adalah  analisis  hasil  dari  beberapa  pengujian  yang  telah dilakukan serta penarikan kesimpulan. Adapun data pengujian meliputi:
a. Data pengujian hardware aktuator silinder pneumatik dan motor stepper
b. Data pengujian arah sudut bilah dengan kecepatan angin bervariasi, dan arah angin konstan (diambil sampel kecepatan angin 4m/s, 6m/s, dan 8m/s)
c. Data kontrol pitch saat melakukan pengereman ketika kecepatan angin di atas cut off.
Berikut Gambar 9 adalah diagram alir metodologi penelitian ini.
Mulai Studi Literatur Perancangan Turbin Data-data yang diperlukan didapat? Perancangan mekanik turbin serta penambahan mekanisme pitch pada Simulink Pengujian per bagian Pengujian keseluruhan dengan mensimulasikan hasil rancangan mekanik Analisis hasil pengujian Selesai YES NO A A
Gambar 9. Metodologi Penelitian
Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
Adapun Diagram Blok masing-masing sistem kendali seperti ditunjukkan pada Gambar 10 untuk sisitem kendali pneumatik  dan Gambar 11 dengan sistem kendali elektrik motor.
Anemometer (V angin) Controller Silinder Encoder (RPM) Plant (turbin) RPM RPM m/s Gambar 10 . Blok diagram sistem dengan pneumatik
Anemometer (V angin) Controller Motor Stepper Encoder (RPM) Plant (turbin) RPM RPM m/s
Gambar 11 Blok diagram sistem dengan motor stepper
Sistem ini mendapatkan input berupa kecepatan  angin  serta  kecepatan putaran turbin  yang kemudian diproses  oleh  kontroller.  Kontroller  akan  membaca  dan  mengubah  sinyal  sensor  menjadi  perintah  digital kepada  aktuator  untuk  mengubah  sudut pitch untuk  pengereman  ataupun  kembali  ke  posisi  semula.  Ketika kecepatan  angin  melebihi  batas  yang  ditentukan,  kontroller  harus  memerintahkan  aktuator  untuk  bergerak mundur agar turbin mengalami pengereman  dan berhenti. Disamping itu, encoder juga membaca kecepatan putaran aktual turbin. Jika kecepatan putaran turbin sudah melebihi batas maksimum yaitu 40 RPM, aktuator akan bergerak sehingga turbin akan berada pada kondisi pitching sehingga mengalami pengereman. Namun sensor  akan  terus  membaca  kecepatan  angin,  hingga  ketika  kecepatan  angin  kembali  dibawah  batas  yang telah  ditentukan,  maka  kontroller akan  memerintahkan  aktuator  agar  kembali  ke  posisi  semula  sehingga turbin dapat kembali berputar.

## Arsitektur Sistem
Dalam  proses  membuat  suatu  sistem,  diperlukan  gambaran  umum  terlebih  dahulu  agar  mempermudah perancangan.  Gambar  8  dibawah  ini  merupakan  gambaran  arsitektur  sistem  pengendalian pitch  angle pada turbin angin yang akan dibuat dengan menggunakan aktuator pneumatik dan elektrik.
a. Aktuator kontrol pneumatik b. Aktuator kontrol motor elektrik
Gambar 12 . Arsitektur aktuator Pneumatik dan Elektrik
Gambar 12 menjelaskan secara umum sistem pengontrolan pitch angle blade pada sebuah turbin. Pada bagian ini, sistem kendali pitch menggunakan aktuator pneumatik  pada bagian 8a dan actuator elektrik pada 8b. Sistem akan mendeteksi kecepatan angin yang menerpa turbin serta sensor putaran juga akan mendeteksi kecepatan  putaran  yang  dihasilkan  oleh  turbin.  Pada  sistem  yang  dirancang  ini,  kecepatan  putaran  turbin dibatasi  hingga  40  RPM.  Kedua  sinyal  tersebut  diolah  oleh  program  layaknya  pada  mikrokontroller  yang kemudian memberikan sinyal output kepada control valve pneumatic ketika kecepatan angin terlalu kencang diatas 20 m/s dan diprediksi akan merugikan sistem. Sinyal output itu merupakan perintah untuk mengubah sudut  kemiringan blade agar  terjadi  pengereman  hingga  turbin  berhenti  berputar.  Namun,  ketika  kecepatan angin  kembali  normal  di  batas  yang  aman,  kontroller  akan  kembali  memberi  sinyal  untuk  mengembalikan sudut kemiringan blade ke posisi semula. Pada kondisi ini, turbin akan dapat kembali berputar dengan bebas. Sinyal  kontrol  yang  ada  pada  simulasi  akan  dikirimkan  kepada  mikrokontroller  sungguhan  yaitu  Arduino Uno  melalui  komunikasi  serial.  Arduino  akan  memproses  data  tersebut  untuk  memberikan  perintah  kepada relay  agar  mengaktifkan  solenoid  valve.  Sehingga  pada  penelitian  ini,  simulasi  yang  dibuat  akan dihubungkan  secara  realtime  dengan  hardware  yang  merupakan  aktuator.  Sedangkan  untuk  perancangan sistem dengan menggunakan aktuator motor stepper output dari kontroller adalah jumlah step yang menjadi input untuk motor stepper agar dapat menggerakan blade dalam mengubah pitch angle.
Untuk desain mekanik ditunjukkan pada Gambar 13 turbin keseluruhan yang telah disematkan seperti pada  gambar  9a  dan  mekanisme  aktuator  pneumatik  untuk  mengubah  sudut pitch blade menggunakan lempeng seperti ditunjukkan gambar 9b. Sedangkan gambar 10 merupakan konstruksi turbin dengan aktuator elektrik pada sistem kendali sudut pitch .Sistem mekanik yang menggerakkan pitch menggunakan roda gigi.
(a) Rancangan mekanik rotor turbin angin
dengan kendali pneumatik (b) Rancangan mekanik kontrol pada pusat bilah menggunakan lempeng penghubung
Gambar 13 . Simulasi rancangan mekanik turbin dengan mekanisme pengubah sudut pitch aktuator (a)
Rotor Turbin Angin keseluruhan (b) Bagian mekanik Lempeng penghubung
(a) Rancangan mekanik rotor turbin angin dengan kendali elektrik motor
(b) Rancangan mekanik kontrol pada pusat bilah menggunakan roda gigi
Gambar 14 . Simulasi rancangan mekanik turbin dengan mekanisme pengubah sudut pitch aktuator (a) Rotor Turbin Angin keseluruhan (b) Roda gigi yang menggerakkan pitch

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk  mengambil  data  percobaan  adalah  menyetting  aktuator  hardware  dengan  komputer.  Pada  aktuator silinder  terdiri  dari  5/3 double  solenoid,  modul  relay  dual  channel,  dan  mikrokontroler  arduino.  Sedangkan pada  aktuator  elektrik  menggunakan  motor  stepper,  driver  motor  ULN  2003  dan  mikrokontroler  Arduino Uno. Seperti ditunjukkan pada Gambar 15.
Gambar 15. Hardware Aktuator (a) Sistem Aktuator Silinder Pneumatik, (b) Silinder Aktuator Elektrik Motor
a. Data pengujian hardware aktuator silinder pneumatik dan motor stepper
Untuk  uji  coba  aktuator  silinder  pneumatik  diberikan  sinyal  yang  berasal  dari  Pengujian  dilakukan  dengan cara  membuat  sinyal  kontrol  agar  blade  pitching  ke  posisi  maksimal  dan  kembali  lagi  ke  posisi  semula. Seperti  yang  diperlihatkan  pada  Gambar  15 sinyal  kontrol  memerintahkan  sistem  untuk  pitching  ke  posisi maksimal untuk menghasilkan putaran pada detik ke-4. Kemudian pada detik ke-12 sinyal kontrol memberi perintah agar blade kembali pada posisi pengereman (posisi awal saat tidak bergerak).  Proses pengujian ini disimulasikan  pada  beberapa  kecepatan  angin  dari  mulai  kecepatan  angin  rendah,  menengah,  hingga kecepatan angin yang tinggi yang menghasilkan beban yang berat pada blade.
(a)
(b)
Gambar 16 . Grafik pengujian pada antarmuka untuk kontrol pneumatik (a) Sinyal input kontrol, (b) Sudut bilah dan salah satu contoh pada kecepatan angin tertentu
Uji  coba  untuk  mengetahui  kecepatan  respon  dari  aktuator  motor  stepper  pada  beberapa  kondisi  kecepatan angin. Motor stepper yang digunakan untuk mengubah sudut pitch pada masing-masing blade memiliki torsi 2  Nm. Berdasarkan  literatur  yang  menjadi  acuan,  penggunaan  motor  servo  dengan  torsi  19,8  Kg.cm  cukup untuk menggerakkan blade seberat 900 gram dengan radius turbin 1,1m [1]. Dapat dilihat pada grafik angle, blade pitching ke posisi maksimal membutuhkan waktu 1,95 detik.
(a) Bagian  ini  terdiri  dari  (A)  5/3 Double  Solenoid Valve, (B) Modul relay dual channel, serta  (C) satu buah Arduino Uno sebagai mikrokontroller.
(b)
Bagian ini terdiri dari (A) Motor stepper, (B) Driver Motor ULN 2003, (C) Arduino Uno.
Gambar  17 .  Grafik  pengujian  pada  antarmuka  untuk  kontrol  elektrik  (a)  Sinyal  input  kontrol,  (b)  Sudut bilah dan salah satu contoh pada kecepatan angin tertentu
Kemudian diujicobakan pula pergerakan bilah ketika kontrol pitch terjadi secara mekanik, salah satu contoh pergerakan  mekanik  bilah  baik  pada  kontrol  elektrik  maupun  pneumatik  seperti  yang  diperlihatkan  pada Gambar  18a  dimana  pergerakan  bilang  dengan  penampakan  bilah  dari  arah  depan,  dimana  roda  gigi  akan memutar  bilah  sesuai  sudut  tertentu.  Pada  Gambar  18b,  pergerakan  bilah  rotor  dengan  susunan  mekanik lempeng penghubung yang menyebabkan bilah berubah sudut.
(a)
(b)
Gambar  18 .    Simulasi  pengujian  pergerakan  bilah  dengan  variasi  kecepatan  angin  (a)  Pergerakan  bilah karena roda gigi pada sistem kontrol elektrik, (b) Pergerakan bilah karena lempeng tuas pada sistem kontrol pneumatik.
b. Data  pengujian  arah  sudut  bilah  dengan  kecepatan  angin  bervariasi,  dan  arah  angin  konstan  (diambil sampel kecepatan angin 4m/s, 6m/s, dan 8m/s)
Dengan mengatur-atur kecepatan angin diambil sampel yaitu 4m/s, 6m/s, dan 8 m/s dimana kecepatan angin ini  pada  umumnya  yang  ada  di  Indonesia.  Maka  akan  terlihat  kecepatan  rotor  (dalam  RPM)  dan  sinyal kontrol  pitch  yang  akan  menggerakkan  blade  sehingga  sudut  pitch  menyesuaikan  sebagaimana  tahapannya seperti  pada  blok  diagram  (Gambar  10  dan  Gambar  11).  Dalam  simulasi  juga  diperlihatkan  variasi  sudut bilah  ketika  kecepatan  angin  berubah-ubah  sedangkan  arah  anginnya  tetap.  Diperlihatkan  perubahan  sudut bilah  (θ)  dan  sudut  serang  angin  (Aoa)  seperti  pada  data  di Tabel  1 dan  dibuat  grafiknya  seerpti  pada Gambar  19.  Disini  terlihat  bahwa  pada  sudut  sekitar  18 o memberikan  kecepatan  putar  rotor  tertinggi. Kecepatan putar rotor tertinggi berhubungan dengan energy yang dapat dihasilkan. Sehingga dapat menjadi salah satu parameter rujukan ketika akan melakukan implementasi ke benda fisik.

## Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto
Tabel 1 . Data Variasi Sudut Bilah (θ) dan sudut serang dari angin (Aoa) pada kecepatan 4m/s, 6
m/s dan 8m/s Wind 4m/s Wind 6m/s Wind 8m/s Angle (θ) Aoa RPM Angle (θ) Aoa RPM Angle (θ) Aoa RPM 90.01 -88.41 -3.112 90.02 -88.4 -6.993 90 -88.39 -12.46 63 -61.29 -23.25 62.96 -61.15 -54.24 62.86 -60.91 -102.4 53.98 -52.28 -27.36 53.91 -52.07 -64.43 53.69 -51.72 -123.4 44.98 -43.31 -28.56 44.91 -43.03 -67.06 44.67 -42.67 -127.4 36 -34.23 -28.73 35.94 -34.05 -67.24 35.69 -33.7 -126.8 17.99 -16.18 -34.93 17.94 -16.01 -82.86 17.71 -15.63 -159.6 13.53 -11.74 -29.78 13.48 -11.57 -68.85 13.37 -11.4 -128.1 9.022 -7.323 -18.91 8.975 -7.219 -42.75 8.939 -7.165 -77.03 -3.565 5.069 12.98 -3.564 5.039 29.2 -3.613 4.988 52.08 -4.514 5.965 15.3 -4.52 5.901 34.43 -4.494 5.84 61.52 -9 10.37 26.86 -8.969 10.25 61.84 -8.893 10.06 113.7 -13.48 14.8 34.31 -13.43 14.63 80.87 -13.24 14.34 154.3 -62.98 64.41 22.18 -62.96 64.27 51.52 -62.84 64.07 96.71 -72.01 73.47 15.5 -71.97 73.38 35.46 -71.94 73.34 64.49 -85.49 87.06 5.327 -85.8 87.03 11.97 -85.5 87 21.3
Gambar 19. Variasi sudut bilah dengan kecepatan rotor (RPM) pada kecepatan angin (a) saat v angin : 4 m/s, (b) v angin : 6 m/s , (c) v angin : 8 m/s
c. Data kontrol pitch saat melakukan pengereman ketika kecepatan angin di atas cut off.
Pada pengujian data pengereman rotor ketika kecepatan angin melebihi kecepatan cut-off  baik pada sistem  kontrol  pitch  dengan  elektrik  ditunjukkan  pada  Gambar  20 maupun  pneumatik  pada  Gambar  21. Terlihat  pada  antarmuka  di  komputer  saat  melakukan  simulasi  pada  berbagai  kecepatan  angin  namun  arah angin  konstan,  diperoleh  respon  kecepatan  rotor  yang  awalnya  cenderung  naik,  namun  ketika  mencapai kecepatan cut-off maka akan terjadi pitching ( gerakan mengubah sudut bilah) yang mengakibatkan  resultan gaya  angkat  dan  gaya  geser  turun  drastis  sehingga  mengakibatkan  torsi  menjadi  nol.  Saat  itulah  terjadi pengereman.
Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
• Simulasi Bagian Kendali Pitch Turbin dengan Elektrik Motor
Gambar 20 . Tampilan respon sistem dengan aktuator elektrik pada variasi kecepatan angin
Tabel 2. Data Simulasi Aktuator Elektrik Turbine Angin Wind Speed Blade Condition Pulse Command AOA Rotation Speed 0 m/s Zero Pos 0 0 deg 0 RPM 8 m/s Normal -34 32 deg 30 RPM 21 m/s Pitching 3 (-1) deg 0 RPM 6 m/s Normal -34 32 deg 20 RPM 11 m/s Normal -34 32 deg 40 RPM
Pada Tabel 2 didapatkan cuplikan data simulasi yaitu saat kecepatan 0 dimana kondisi di 0 derajat, dan laju  putarnya  0  RPM,  sedangkan  saat  8m/s,  6m/s  dan  11  m/s  memiliki  laju  putar  rotor  30  RPM,  30 RPM,  dan  40  RPM.  Namun  saat  kecepatan  angina  di  atas  20  m/s,  maka  bilah  berubah  sudut  yang mengakibatkan bilah terpitching atau kecepatan putar 0 RPM
• Simulasi Bagian Kendali Pneumatik
Pada tabel 2 didapatkan cuplikan data simulasi yaitu saat kecepatan 0 dimana kondisi di 0 derajat, dan laju  putarnya  0  RPM,  sedangkan  saat  7m/s,  4m/s  dan  9  m/s  memiliki  laju  putar  rotor  25  RPM,  20 RPM,  dan  40  RPM.  Namun  saat  kecepatan  angina  di  atas  20  m/s,  maka  bilah  berubah  sudut  yang mengakibatkan bilah terpitching atau kecepatan putar 0 RPM
Gambar 21 . Tampilan respon sistem dengan aktuator pneumatik pada kecepatan angin bervariasi
Table 3. Pneumatic actuator wind turbine simulation results sampling data Wind Speed Blade Condition Command AOA Rotation Speed 0 m/s Pitching For (-1) o 0 RPM 7 m/s Normal Rev 32 o 25 RPM 22 m/s Pitching For (-1) o 0 RPM 4 m/s Normal Rev 32 o 20 RPM 9 m/s Normal Rev 32 o 40 RPM
Untuk perubahan kecepatan angin yang berbeda-beda didapat respon waktu baik dari control pneumatic dan elektrik  dimana  respon  waktu  ini  menunjukkan  kecepatan  perubahan  sudut  pitch.  Untuk  variasi  kecepatan angina yang  sama  respon  waktu  setiap kendali menunjukkan variasi  yang  konsisten. Namun terlihat respon waktu  control pneumatic lebih pendek yaitu 1.7 detik daripada respon waktu system kendali elektrik motor yaitu  2  detik.  Sehingga  control  pneumatic  menunjukkan  waktu  yang  lebih  cepat  daripada  control  elektrik motor.
Tabel  4. Data  respon  time  aktuator  elektrik  dan  aktuator  pneumatik  pada  berbagai  kondisi kecepatan angin
No Kecepatan Angin (m/s) Respon Time Kontrol Pneumatik (s) Respon Time Kontrol Elektrik Motor (s) 1 4 1,7 2 2 8 1,7 2 3 12 1,7 2 4 16 1,7 2 5 20 1,7 2
Nuryanti, Abyanuddin Salam, Adrian Julianto JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
Hubungan antara C L dan C D terhadap sudut serang
Pada  penelitian  ini,  profil  sudu  yang  digunakan  adalah  jenis  airfoil  NACA  0015.  Dari  data  yang didapatkan, dengan beberapa posisi sudut serang  yang  sama dengan pengujian  sebelumnya, dihasilkan data lift  coefficient  dan  drag  coefficient  yang  berikutnya  akan  diperhitungkan  pada  penentuan  besaran  gaya  lift dan gaya drag. Dari data yang didapatkan, lift coefficient terbesar berada pada sudut serang 16 derajat atau pada sudut bilah 18 o . Drag coefficient yang terbesar berada pada sudut serang yang paling besar yaitu pada posisi  sudut  serang  87  derajat.  Dalam  hal  ini,  semakin  besar  sudut  serangnya,  maka  drag  coefficient  akan semakin  besar.  Gambar  22  dibawah  ini  adalah  grafik  yang  menunjukkan  nilai  lift  coefficient  dan  drag coefficient pada posisi sudut serang yang bervariasi.
Gambar 22 . Grafik sudut serang terhadap (a) Lift Coefficient, (b) Drag Coefficient

## PENUTUP
Berdasarkan  hasil  penelitian  simulasi  pengujian  kinerja  kendali  pitch  turbin  angin  berbasis  MATLAB Simulink yang telah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan diantaranya adalah  Simulasi control pitch pada  turbin  angin  berbasis  Matlab  Simulik  telah  dapat  memadukan  perputaran  mekanis  rotor  turbin  yang ditunjukkan  oleh  software  dengan  hardware  actuator  silinder  pneumatic  dan  elektrik  motor  stepper.  Dari simulasi dapat diperoleh parameter mekanik  maupun  system control jika  akan diimplementasikan  ke benda fisik  dengan  bilah  tipe  NACA  0015,  panjang  40  cm,  maka  kemiringan  putar  bilah  dibuat  18 o yang menunjukkan  putaran  motor  terbesar  saat  arah  angin  bervariasi  dan  jika  akan  menerapkan  system  control menggunakan  pneumatic  dikarenakan  memberikan  respon  pengereman  lebih  cepat  (1.7  detik)  daripada system control elektrik (2 detik).

## DAFTAR PUSTAKA
[1] H. Ismail,  “Desain Blade  Angle Pitch Control Pada Turbin  Angin Tipe Propeller Menggunakan  Fuzzy  Logic Controller Di Pantai Pancer Puger Jember,” Universitas Jember, 2016.
[2] Arifin,  “Optimasi  Daya  pada  Sistem  Turbin  Angin  Menggunakan  Kontrol  Pitch  Angle  dengan  Fuzzy  Logic Control ( Aplikasi pada Kecepatan Angin Daerah Nias Utara ),” Universitas Sumatera Utara, 2017.
[3] F. Zhou and J. Liu, “Pitch Controller Design of Wind Turbine Based on Nonlinear PI/PD Control,” Shock Vib. , vol. 2018, pp. 1–14, Oct. 2018, doi: 10.1155/2018/7859510.
[4] Z.  Dzulfikri,  “Rancang  Bangun  Penerapan  Jaringan  Saraf  Tiruan  Untuk  Memprediksi  Arah  Angin  Pada Pengontrolan Yaw Purwarupa Turbin Angin,” Bandung Polytechnic of Manufacturing, 2019.
[5] Ismail and T. Arrahman, “Perancangan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Dengan Kapasitas 3 MW,” Presisi , vol. 6, no. 3, p. 113, 2017.
[6] E. L. Pahlevi and S. Yana,  “Pengaturan Pitch  Angle Turbin  Angin Berbasis  Kendali  Logika  Fuzzy (Aplikasi Pada Data Angin Daerah Medan Tuntungan dan sekitarnya),” J. Singuda Ensikom Vol.14 , vol. VOL.14 NO., no. 1, pp. 89–94, 2016.
JTEV (Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional) Vol 7 No 2 (2021), page: 237-252
[7] M.  Ramadhan,  “Rancang  Bandung  Kontrol  Pitch  Pada  Prototipe  Turbin  Angin  Berbasis  Servo  Pneumatik,” Bandung Polytechnic of Manufacturing, 2018.
[8] N.  Hadi,  S.  Satwiko,  and  K.  Natalia,  “Karakteristik  Wind  Turbine  Tipe  Horizontal  Tiga  Sudu  Menggunakan Wind Tunnel Sederhana,” pp. 3–6, 2013.
[9] A. M. Siregar, “Rancang Bangun Wind Tunnel Sederhana Untuk Alat Pendukung Studi Eksperimental,” J. Ilm. Mek. Tek. Mesin ITM , vol. 2, no. 2, pp. 92–97, 2016.
[10] A. Musyafa’, “Design And Development Of Fuzzy Logic Controller On The Pitch Angle Of The Wind Turbine For Electrical  Power  Optimization  In  The  East  Java  Wind  Farm  -  Indonesia,”  Sepuluh  Nopember  Institute of Technology, 2012.
[11] J. V. Tuapetel, I. A. Triprayoga, and P. M. Santika, “Analisis Dan Pengujian Kinerja Turbin Angin Savonius 4 Sudu,” J. Tek. Mesin ITI , vol. 3, no. 2, p. 46, 2019, doi: 10.31543/jtm.v3i2.307.
[12] ph. D. DaviD A. Spera, Wind Turbine Technology , Second Edi. 2009.
[13] H. Ameur and K. Boukhadia, “Numerical Study of the Air Flow over a NACA 0015 Wind Turbine Airfoil,” no. April, 2018, doi: 10.20944/preprints201804.0002.v1.

## Biodata Penulis
Nuryanti , lahir di Jakarta, 26 April 1976. Sarjana  Teknik di Jurusan Teknik Fisika  ITB 2001. Tahun 2005 memperoleh  gelar  Master  of  Science  dari  TU-Muenchen  Jerman  dengan  bidang  Teknik  Fisika  (  Ilmu Material).  Staf  pengajar  di  jurusan  Teknik  Otomasi  Manufaktur  dan  Mekatronika  sejak  tahun  2009- sekarang.
Abyanuddin  Salam, dilahirkan  di  Bandung  4  Oktober  1989.  Menyelesaikan  D4  pada  jurusan  Teknik Manufaktur  konsentrasi  Elektromekanik  Politeknik Manufaktur Bandung  dan pendidikan  Pascasarjana  (S2) Master  of  Science  dari  FH  Coburg  Jerman.  Staf  Pengajar  di    jurusan  Teknik  Otomasi  Manufaktur  dan Mekatronika sejak tahun 2019- sekarang.
Adrian Julianto , dilahirkan di Bandung. Menyelesaikan pendidikan D4 Program Studi Teknologi Rekayasa  Otomasi  Jurusan  Teknik  Otomasi  dan  Mekatronika  Politeknik  Manufaktur  Bandung tahun 2020