## Unjuk Kerja Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) 3 Fasa Fluks Radial dari Modifikasi Motor Induksi

## Heni Krisdiantoro
henikrisdiantoro@gmail.com
Universitas Jember Triwahju Hardianto triwahju.teknik@unej.ac.id Universitas Jember Widyono Hadi widyono@unej.ac.id
Universitas Jember
Abstrak
Kebutuhan energi listrik di kalangan masyarakat Indonesia kian hari  kian  meningkat.  Hamper  seluruh  kegiatan  manusia  pada zaman  sekarang  tak  bisa  lepas  dari  listrik.  Selama  ini  sumber energi  potensial  dari  pembangkit  listrik  masih  menggunakan energi  fosil  untuk  membangkitkan  energi  listrik.  Sudah  saatnya sekarang beralih menggunakan energi terbarukan seperti angin, air, gelombang laut dan lain-lain untuk mengganti sumber energi fosil. Pada industry kelistrikan saat ini generator sinkron magnet permanen sudah banyak di kembangkan. Komponen utama dari generator  ini  adalah  rotor,  stator  dan  penggerak  utama. Generator  sinkron  magnet  permanen  ini  menggunakan  magnet permanen  untuk  menghasilkan  medan  magnet  pada  kumparan sehingga  tidak  memerlukan  arus  eksitasi.  Tentu  saja  generator ini diharapkan bisa menghasilkan listrik yang maksimal dengan menggunakan  sumber  tenaga  angin,  air,  gelombang  laut  dan lain-lain, sehingga krisis sumber daya listrik dengan energi fosil perlahan  dapat  teratasi.  Generator  yang  dibuat  pada  penelitian ini  menggunakan  bahan  baku  seperti  rotor,  stator,  shaft  dan housing dari motor pompa air bekas yang sudah tidak terpakai. Modifikasi  yang  dilakukan yaitu  dengan  menambahkan magnet permanen  pada  rotor  yang  telah  di  bubut  dan mengubah  lilitan asli  dari  motor.  Pengujian  generator  dilakukan  dengan memberikan  beban  40  Ohm  dengan  melakukan  variasi kecepatan  putar  200-1600  rpm.  Dari  hasil  pengujian  yang  telah dilakukan  generator  mampu  menghasilkan  daya  paling  rendah sebesar 0.7  Watt pada kecepatan 200 rpm dan daya paling tinggi sebesar  41.8  watt  pada  kecepatan  1600  rpm.  Efisiensi  terbaik pada  pengujian  terjadi  saat  menggunakan  kecepatan  400  rpm dengan nilai efisiensi 75.78%
Kata  Kunci —  Generator  sinkron  magnet  permanen,  Variasi kecepatan putar, Daya

## Abstract
The  need  for  electrical  energi  among  the  people  of  Indonesia  is increasing day by day. Almost all human activities today cannot be  separated  from  electricity.  So  far,  potential  energi  sources from  power  plants  still  use  fossil  energi  to  generate  electrical energi. It is time now to switch to using renewable energi such as wind,  water,  ocean  waves  and  others  to  replace  fossil  energi sources.  In  the  electricity  industry,  permanent  magnet synchronous  generators  have  been  widely  developed.  The  main components  of  this  generator  are  the  rotor,  stator  and  prime mover.  This  permanent  magnet  synchronous  generator  uses  a
permanent  magnet  to  generate  a  magnetic  field  in  the  coil  so  it does not require an excitation current. Of course, this generator is  expected  to  produce  maximum  electricity  using  wind,  water, ocean waves and others, so that the crisis of electricity resources with fossil energi can slowly be resolved. The generators made in this  study  use  raw  materials  such  as  rotors,  stators,  shafts  and housings from used water pump motors that are no longer used. Modifications  made  are  by  adding  permanent  magnets  to  the lathe  rotor  and  changing  the  original  winding  of  the  motor. Generator  testing  is  done  by  providing  a  load  of  40  ohms  by varying the rotational speed of 200-1600 rpm. From the results of the  tests  that  have  been  carried  out,  the  generator  is  able  to produce the lowest power of 0.7 watts at 200 rpm and the highest power  of  41.8  watts  at  1600  rpm.  The  best  efficiency  in  the  test occurred when using a speed of 400 rpm with an efficiency value of 75.78%.
Keywords —  Permanent  magnet  synchronous  generator, Variation of rotational speed, Power

## I. PENDAHULUAN
Peningkatan  jumlah  penduduk  di  Indonesia  yang  semakin pesat  mengakibatkan  penggunaan  energi  listrik  juga  semakin meningkat.  Listrik  menjadi  energi  yang  sangat  dibutuhkan  di masyarakat sekarang bahkan sudah menjadi kebutuhan primer. Selama  ini  sumber  energi  konvensional  berupa  energi  fosil menjadi  sumber  utama  untuk  proses  pembangkitan  energi listrik.  Beberapa  persediaan  sumber  energi  yang  ada  sudah berkurang  dan  akan  menjadi  kelangkaan[1].  Pemanfaatan energi  baru  terbarukan  dapat  menjadi  solusi  yang  bisa digunakan  untuk  membantu  memenuhi  penyediaan  energi listrik di masyarakat.
Namun  mahalnya  bahan-bahan  untuk  pembuatan  sebuah generator  masih  menjadi  kendala  yang  di  alami  oleh masyarakat saat ini sehingga masyarakat lebih memilih untuk menggunakan  listrik  konvensional  dari  PLN[3].  Untuk mengurangi  biaya  pembuatan  generator  yang  begitu  mahal, bisa  memanfaatkan  barang  bekas  seperti  motor  pompa  air. Konstruksinya sangat mirip  dengan generator pada umumnya sehingga jika dimodifikasi bisa di jadikan generator yang kuat dari segi konstruksi maupun materialnya.

## II. L ANDASAN T EORI

## A. Generator sinkron magnet permanen
Permanent magnet synchronous generator (PMSG) adalah generator  yang  medan  ekstitasinya  dihasilkan  oleh  magnet permanen  bukan  kumparan  sehingga  fluks  magnetik dihasilkan  oleh  medan  magnet  permanent.  Jenis  generator  ini adalah  salah  satu  jenis  generator  yang  memiliki  tingkat efisiensi  tinggi  karena  tidak  ada  rugi  –  rugi  eksitasi  yang dihasilkan  sehingga  cocok  digunakan  untuk  sumber  energi terbarukan seperti air, angin, gelombang laut dan lain-lain.

## B. Prinsip kerja generator
Untuk  menghasilkan  output  pada  generator  membutuhkan medan magnet untuk menghasilkan ggl induksi. Pada hukum faraday  dijelaskan  bahwa  fluks  magnet  yang  berubah-ubah memotong  suatu  kumparan,  maka  maka  akan  timbul  ggl induksi pada kedua ujung kumparan tersebut [4]
(1)
Sedangkan  hukum  lenz  menjelaskan  bahwa  ggl  induksi akan  menimbulkan  fluks  magnet  induksi  akan  menentang fluks  magnet  utama  yang  menyebabkan  ggl  induksi tersebut[5]

## C. Fluks magnet
Magnet  memiliki  arah  fluks  dari  kutub  utara  ke  kutub selatan  dan  ketika  kutub  yang  sama  didekatkan  maka  akan saling  tolak  menolak.  Besarnya  fluks  magnet  yang  melalui suatu  bidang  dihitung  sebagai  berikut[2]  dengan yaitu Fluks  Magnet  (Wb),
Medan  Magnet  Maksimum (T),dan Luas Medan Magnet (2) Luas  medan  magnet  yang  akan  timbul  dalam  generator adalah  sebagai  berikut  dengan Luas  Medan  Magnet
(m2), Panjang  Magnet  (m),
Panjang  Magnet  (m),
Derah Kutub Termagnetisasi (%) (3)
Dalam  pencarian  fluks  magnet  dapat  mendahulukan pencarian dimensi dari setiap bagian, terutama keliling motor dengan  persamaan  berikut  dengan Keliling  Rotor  (m), phi (3,14) dan Diameter Rotor (m).
= (4)
Dan  untuk  memperoleh  nilai  medan  magnet  maksimum maka bisa dilihat dari persamaan berikut ini [7] dengan
Medan Magnet Maksimal (T), Medan Magnet Relatif (T), Tinggi Magnet (m) dan δ Panjang Celah Udara (m)
(5)

## D. Daya
Setiap  generator  yang  digunakan  memiliki  daya  keluaran masing-masing  tergantung  dari  dimensi  serta  aspek  lainnya. Untuk persamaan daya listrik generator adalah sebagai berikut [5] dengan D Diameter dalam Stator (m), L Tebal Stator (m), P Daya (Watt), Kw Faktor Belitan, Ns Kecepatan Putar Rotor (RPS), Bg Kerapatan Medan Magnet pada Air Gap (T) dan Ac Kuat Medan Magnet (A/m).
(6)

## E. Tegangan
Tegangan  merupakan  beda  potensial  yang  timbul  akibat adanya  medan  magnet  pada  kumparan  [6].  Nilai  tegangan dapat  di  ketahui  dengan  menggunakan  rumus  sebagai  berikut dengan Eph Tegangan  Induksi  Antar  Fasa  (V), F Frekuensi (Hz), Nc Jumlah  Lilitan  per  Kumparan, Fluks  Magnet (Wb), Ns Jumlah Slot dan Nph Jumlah Fasa
(7)

## F. Lilitan generator
Tegangan  yang  dihasilkan  generator  sangat  berpengaruh dari  banyaknya  jumlah  lilitan  pada  satu  kumparan.  Melilit sebuah  generator  harus  ada  perhitungan  dan  teknik  melilit yang  benar  sehingga  tegangan  yang  dihasilkan  merupakan hasil  yang  paling  tinggi.  Untuk  menentukan  jumlah  lilitan yang dibutuhkan maka bisa didapatkan dari persamaan berikut Nph Jumlah  Lilitan, Eph Tegangan  Antar  Fasa  (V), f Frekuensi  (Hz), Kw Faktor  Belitan  dan Fluks  Magnet (Wb).
(8)

## G. Penyearah 3 fasa
Penyearah  tiga  fasa  tak  terkontrol  adalah  suatu  converter elektronika  daya  yang  mengubah  tegangan  AC  tiga  fasa mengjadi  tegangan  DC  [8].  Penyearah  tersebut  membutukan 6  dioda  yang  disusun  seperti  Gambar  1.  Rangkaian  ini mempunyai  sifat  bahwa  diode  dengan  nomor  ganjil  akan konduksi  bila  tegangan  anodanya  mempunyai  harga  yang paling  tinggi  dibandingkan  dengan  tegangan  anoda  dari komponen-komponen dengan nomor ganjil yang lain.
Tegangan  keluaran  dari  penyearah  tiga  fasa  dapat  dicari dengan  persamaan  berikut[2]    Dimana Vrms Tegangan  rms Keluaran (V) dan Vm Tegangan Puncak Input (V)
(9)

## Gbr.1 Rangkaian penyearah 3 fasa

## III. M ETODE P ENELITIAN
Dalam melakukan sebuah penelitian, ada beberapa tahapan- tahapan  yang  harus  dilakukan  untuk  mencapai  tujuan  dan mendapatkan  sebuah  hasil  penelitian  yang  baik  dan  dapat dipertanggung jawabkan.

## H. Flowchar Penelitian
Berikut  ini  adalah  tahapan-tahapan  dalam  penelitian  yang dilakukan  dalam  bentuk  diagram  alir  (Gambar  1),  Gambar  2 merupakan diagram alir yang akan digunakan pada penelitian ini.  Dimana  ketika  nilai  arus  yang  didapatkan  sudah  sesuai dengan  perhitungan  maka  penelitian  akan  dilanjutkan  untuk pengambilan data.
Gbr.2 Flowchart Penelitian

## I. Desain Alat
Berikut  merupakan  desain  perancangan  dari  PMSG  fluks radial 3 fasa yang dibuat:
a. Desain Rotor
Gbr.3 Kontruksi Rotor (sumber: Angela, 2020)
Dari  Gambar  3  dapat  di  lihat  desain  dan  bentuk  rotor yang  akan  digunakan.  Bagian  yang  menonjol  adalah  magnet dengan dua lapisan.
b. Desain Stator
Gbr.4 Konstruksi stator (sumber: Angela, 2020)
TABEL I SPESIFIKASI GENERATOR No. Karakteristik Ukuran 1. Diameter Rotor 51 mm 2. Tebal Stator 32 mm 3. Diameter Dalam Stator 53 mm 4. Panjang Rotor 30 mm 5. Jumlah lilitan 50 lilit 6. Diameter lilitan 0.4 mm 7. Dimensi magnet 40x10x3 mm 8. Material Magnet Neodymium N50 9. Celah Udara 2 mm
Gambar.4 menunjukan desain stator yang akan digunakan. Jumlah  slot  yang  digunakan  yaitu  sebanyak  24  slot  dimana pada  slot  tersebut  nantinya  akan  dipasang  kumparan  atau lilitan  menggunakan  kawat  email  dengan  ukuran  dan  jumlah yang  sudah  ditentukan.  Tabel  1  berupakan  spesifikasi  dari generator yang dibuat.
c. Lilitan
Banyak teknik pelilitan yang dipakai pada generator untuk memperoleh  nilai  tegangan  yang  sesuai  dengan  kebutuhan. Tegangan  yang  dihasilkan  haruslah  paling  tinggi  dan  harus mendekati  gelombang  sinusoidal  sempurna . Setiap  slot  pada stator  harus  terisi  dengan  kumparan  agar  tetap  memenuhi syarat  suatu  mesin  listrik.  Slot  bisa  terisi  dengan  satu kumparan atau dua kumparan atau bahkan lebih.
Gbr.5 Lilitan Generator (Sumber: Angela, 2020)

## IV. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Pengujian Generator
Pengujian  Permanent  Magnet  Synchronous  Generator (PMSG) terdiri dari beberapa tahapan sebagai berikut:
1. Pengukuran  nilai  tahanan  pada  resistor  kapur  yang akan di gunakan sebagai beban.
2. Pengukuran nilai tegangan generator tanpa beban.
3. Pengukuran nilai tegangan dan arus saat berbeban.
4. Pengukuran  nilai  tegangan  dan  arus  berbeban menggunakan variasi kecepatan putar pada generator 200  rpm,  400  rpm,  600  rpm,  800  rpm,  1000  rpm, 1200 rpm,1400 rpm dan 1600 rpm.
Pengujian  dilakukan  menggunakan  alat  ukur  yaitu multimeter digunakan untuk mengukur nilai arus dan tegangan  yang  di  hasilkan,  kemudian  tachometer digunakan  untuk  mengukur  kecepatan  putar  rotor (rpm)  dan  yang  terakhir  adalah  osciloscop  untuk menampilkan  bentuk  sinyal  sinus  yang  di  hasilkan saat proses pengujian.

## B. Perhitungan Generator
Daya generator dapat dihitung menggunakan persamaan (6), maka nilai yang didapatkan adalah sebagai berikut:
Nilai  daya  yang  dihasilkan  sesuai  dengan  perhitungan adalah 38 watt.  Dan menggunakan nilai tegangan yang telah di  tentukan  yaitu  36  V.  Maka  arus  yang  didapatkan  pada perhitungan yaitu:
Berdasarkan  nilai  arus  yang  telah  didapatkan maka ukuran kawat email yang paling aman digunakan yaitu menggunakan 0.4 mm.
setelah dilakukan perhitungan berdasarkan persamaan yang ada  didapatkan  nilai  fluks  magnet  maksimal  sebesar 0,0004032  Wb  sehingga  dapat  ditentukan  jumlah  lilitan sebagai berikut (8):
Dari  hasil  perhitungan  diatas  maka  jumlah  lilitan  yang dibutuhkan  generator  adalah  sebanyak  50  lilitan.  Jumlah lilitan  akan  dibuat  sesuai  dengan  jumlah  slotnya  yaitu  24 sehingga  membutuhkan  sebanyak  24  buah  kumparan  dengan masing-masing kumparan berjumlah 50 lilitan.

## C. Pengujian Generator
Pengujian  generator  dilakukan  pada  saat open  circuit dan saat  berbeban  40  Ohm.  Berikut  ini  adalah  hasil  pengujian generator:
1. Pengujian generator saat open circuit Pengujian  dilakukan  dengan  prosedur  yang  telah dijelaskan  sebelumnya  dan  menggunakan  variasi  kecepatan putar dari 200-1600 rpm.
Tabel  2  menunjukan  hasil  pengujian  generator  saat open circuit atau  tanpa  beban.  Nilai  tegangan  paling  rendah  9.2  V saat  kecepatan  putar  200  rpm  dan  tegangan  tertinggi dihasilkan saat kecepatan 1600 rpm mencapai 60.01 V.

## TABEL II DATA PERCOBAAN
OPEN CIRCIUT Rpm Tegangan (V) Arus (I) 200 9.2 0 375 13.9 0 400 14.25 0 600 22.3 0 800 29.12 0 1000 37.68 0 1200 44.57 0 1400 51.72 0 1600 60.01 0
Pada  Gambar  6  dapat  diketahui  grafik  nilai  tegangan  dan arus  saat  open  circuit  terhadap  perubahan  kecepatan  putar rotor.  Semakin  tinggi  nilai  kecepatan  putar  generator  maka nilai tegangan yang di hasilkan akan semakin meningkat.
2. Pengujian generator saat berbeban
Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  resistor  kapur dengan  nilai  40  ohm.  Menggunakan  kecepatan  putar  yang sama yaitu 200-1600 rpm.
Dari data yang telah didapatkan  (Tabel 3) dapat diketahui bahwa nilai tengan dan arus yang terkecil nilainya terjadi pada saat kecepatan 200 rpm yaitu 6.4 V dan 0.11. Sedangkan nilai tegangn  dan  arus  tertinggi  terjadi  saat  kecepatan  putar  1600 rpm dengan nilai tegangan 41.8 V dan arus 1 A.
TABEL III DATA PERCOBAAN BEBAN 40 OHM Rpm Tegangan (V) Arus (I) 200 6.4 0.11 375 9.6 0.23 400 10.8 0.25 600 16.4 0.39 800 21.2 0.5 1000 27.3 0.6 1200 32.6 0.79 1400 36.6 0.89 1600 41.8 1
Gbr. 6 Sinyal keluaran tegangan DC saat kecepatan 1600 rpm.

## D. Analisis Data
1. Daya Input
Dari data yang telah di dapatkan dari pengujian maka daya masukkan  dapat  di  hitung  dimana  tegangan  yang  di  gunakan adalah  tegangan  yang  di  hasilkan  tanpa  beban  dan  arus  yang di  gunakan  adalah  saat  menggunakan  beban.  Sesuai  dengan persamaan berikut:
TABEL IV
NILAI DAYA INPUT Rpm Tegangan (V) Arus (I) Daya (W) 200 9.2 0.11 1.75 375 13.9 0.23 5.54 400 14.25 0.25 6.17 600 22.3 0.39 15.06 800 29.12 0.5 25.22 1000 37.68 0.6 39.16 1200 44.57 0.79 60.99 1400 51.72 0.89 79.73 1600 60.01 1 103.94
Nilai  daya  terkecil  terjadi  saat  kecepatan  200  Rpm  yaitu sebesar  1.75  watt  dan  daya  terbesar  saat  1600  Rpm  sebesar 103.94 watt.

## 2. Daya Output
Nilai  daya  output  dapat  dihitung  dengan  menggunakan dengan nilai tegangan dan arus dengan hasil pengukuran saat berbeban sebagai berikut:
TABEL V NILAI DAYA OUTPUT Rpm Tegangan (V) Arus (I) Daya (W) 200 6.4 0.11 1.22 375 9.6 0.23 3.82 400 10.8 0.25 4.68 600 16.4 0.39 11.08 800 21.2 0.5 18.36 1000 27.3 0.6 28.37 1200 32.6 0.79 44.61 1400 36.6 0.89 56.42 1600 41.8 1 72.40
Nilai  daya  terkecil  terjadi  saat  kecepatan  200  Rpm  yaitu sebesar  1.22  watt  dan  daya  terbesar  saat  1600  Rpm  sebesar 72.40 watt[7].
3. Efisiensi
Efisiensi  didapatkan  dari  hasil  perbandingan  antara  daya input  dengan  daya  output[2].  Persamaan  yang  digunakan adalah sebagai berikut:
Pada  tabel  6.  Dapat  diketahui  bahwa  nilai  efisiensi  terbaik saat  pengujian  adalah  pada  saat  kecepatan  400  rpm  dengan nilai efisiensi sebesar 75.79 %.

## TABEL VI NILAI PERHITUNGAN EFISIENSI
P IN P OUT Efisiensi 1.75 1.22 69.57 5.54 3.82 69.06 6.17 4.68 75.79 15.06 11.08 73.54 25.22 18.36 72.80 39.16 28.37 72.45 60.99 44.61 73.14 79.73 56.42 70.77 103.94 72.40 69.66

## Gbr. 8 grafik nilai efisiensi generator
Dari Gambar 8 dapat kita ketahui bahwa nilai efisiensi yang di  hasilkan  generator  cenderung  stabil  dan  tidak  terlalu mengalami  perubahan  yg  begitu  signifikan  berdasarkan  hasil pengujian.
V. KESIMPULAN (PENUTUP)
Dari hasil pengujian yang telah dilakukan dapat kita ketahui bahwa  nilai  kecepatan  putar  generator  sangat  berpengaruh pada  daya  yang  di  hasilkan,  dimana  semakin  tinggi  nilai kecepatan  putar  maka  semakin  besar  pula  daya  yang  di hasilkan.  Generator  ini  mampu  menghasilkan  nilai  daya output  tertinggi  pada  saat  pengujian  yaitu  sebesar  72.40  watt pada kecepatan putar 1600 rpm dan nilai daya terkecil sebesar 1.22 watt pada kecepatan 200 rpm. Efisiensi dari generator ini nilai  tertinggi  hingga  75.79  %  pada  saat  kecepatan  putar  400 rpm dan menggunakan beban resistor kapur 40 ohm.

## R EFERENSI
[1] Andika and A. Hamzah, “Perancangan dan Pembuatan Generator Fluks Radial  Tiga  Fasa  Magnet  Permanen  Kecepatan  Rendah,” Univ.  Riau, vol. 5, no.1, pp. 1-8, 2018.
[2] R.  A.  Madani,  Sutisna,  dan  A.  Andang,  “Modifikasi  Motor  Induksi Menjadi  Generator  Sinkron  Magnet  Permanen  24  Slot  8  Pole”, Universitas Siliwangi.
[3] H. Piggott, T. Kirby, and H Piggott, Windpower Workshop Windpower Workshop Building Your Own Wind Turbine. 1999.
[4] W. Sunarlik, “Prinsip Kerja Generator,” PRINSIP KERJA Gener. Sink.,
p. 6, 2017.
[5] I.  Suhada,  M.O  &  Yasri,  “Aspek  Rancangan  Generator  Magnet Permanen Fluks Radial Kecepatan Rendah,” vol. 5, pp. 1-7, 2018.
[6] C.  Stephen  J, Electric  Machinery  Fundamentals, 5th  ed.  Australia, 1999.
[7] A.  Goeritno  and  A.  Hidayat,  “KONSTRUKSI  ROTOR  MAGNET PERMANEN  FLUKS  RADIAL  UNTUK  ALTERNATOR  FASE TUNGGAL,” pp. 1-7, 2015.
[8] Soepranto,  M.  Shiddiq,  U.  Wibawa, and T.  Utomo,  “Jurnal Teknologi Elektro,  Universitas  Mercu  Buana  ISSN:  2086-9479  Pengereman Regeneratif  Motor  DC  Tanpa  Sikat  (BLDC)  Untuk  Pengisian  Baterai Pada Sepeda Elektrik Soeprapto Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro  Unggul  Wibawa  Fakultas  Teknik  Pr,”  vol.  9,  no.  1,  pp.  1-9, 2018.