ANALISIS PENGARUH BEBAN TERHADAP KARAKTERISTIK DAN EFISIENSI GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN KOMPON KUMULATIF DAN KOMPON DIFERENSIAL (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Syahrizal Lubis, Syamsul Amien Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected] ABSTRAK Salah satu jenis generator DC yang cukup banyak digunakan adalah generator DC penguatan kompon. Berdasarkan sifat penguatnya terhadap jangkar generator kompon dibagi menjadi dua yaitu generator DC kompon kumulatif dan generator DC kompon diferensial. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Pada tulisan ini menganalisis pengaruh beban terhadap karakteristik dan efisiensi generator DC penguatan kompon dengan menentukan nilai If 0,01 sampai 0,17 dan Ia dijaga konstan 5,0 ampere. Dari hasil pengujian, generator DC penguatan kompon kumulatif dengan nilai If tertinggi 0,17 memiliki tegangan terminal 122 Volt dan 124 Volt, efisiensi 81,8 % dan 82,1 %, dan pada saat nilai If terendah 0,01 memiliki tegangan terminal 9 Volt dan 10 Volt, efisiensi 28,9 % dan 31,1 %. Untuk generator DC penguatan kompon diferensial dengan nilai If tertinggi 0,17 memiliki tegangan terminal 155 Volt dan 157 Volt, efisiensi 84,6 % dan 84,7 %, dan pada saat nilai nilai If terendah 0,01 memiliki tegangan terminal 10 Volt, efisiensi 31,1 %. Kata Kunci: generator dc, arus medan dan tegangan terminal 1. Pendahuluan tegangan ( Ia. (Ra + Rse) ) dan arus medan (If) pada mesin ikut turun. Oleh karena itu tegangan terminal generator (Vt) juga akan berkurang [1,6]. Dengan demikian, perlu dilakukan pengujian generator DC penguatan kompon berupa analisis data–data yang di ambil dari laboratorium. Pengujian ini dilakukan untuk melihat pengaruh beban terhadap karakteristik dan efisiensi generator DC tersebut.
Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah (DC) dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri [2]. Generator penguatan sendiri terdiri atas generator penguatan shunt, generator penguatan seri, dan generator penguatan kompon. Generator DC penguatan kompon merupakan jenis generator DC yang lebih luas pemakaiannya dibandingkan jenis generator yang lain dan lebih efisien [4,5]. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Pada generator DC penguatan kompon peningkatan beban pada generator akan meningkatnya arus beban (IL) yang secara langsung akan berakibat meningkat pula arus jangkar (Ia). Peningkatan arus jangkar akan berakibat meningkatnya jatuh
2. Karakteristik Generator DC Penguatan Kompon Dan Efisiensi Generator DC Karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri.
-1-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
VT
3. Metode Penelitian Pengambilan data dalam penelitian tulisan ini dilakukan pada tanggal 21 Februari 2014 pukul 15.00 sampai dengan pukul 18.00 WIB di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU). Langkah-langkah pada tulisan ini adalah sebagai berikut: a. Pengumpulan data yang akan menentukan keberhasilan dalam penelitian yaitu dengan metode dokumentasi dan metode observasi. b. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan memastikan bahwa generator DC dapat beroperasi dengan baik. c. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki validitas yang baik yang harus disetting dengan benar. d. Tahap pengambilan data yang meliputi beban dan arus medan terhadap tegangan. e. Tahap analisa data yang digunakan adalah analisis matematis untuk memecahkan masalah dan kesimpulan dalam penelitian. Analisis ini mengadakan perhitunganperhitungan berdasarkan persamaanpersamaan yang berlaku didalam perhitungan karakteristik dan efisiensi generator. Dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 1. Perhitungan tegangan generator
IF
Gambar 1 Karakteristik Berbeban Generator Kompon Secara Teoritis [1] Terlihat pada Gambar 1 karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri [1,5]. Untuk menjelaskan efisiensi pada generator arus searah, dapat diamati melalui diagram aliran daya pada generator dc. Diagram aliran daya dapat dilihat pada Gambar 2 [3].
=
2.
− (
=
Gambar 2 Diagram Aliran Daya Generator DC
(2)
3. Efisiensi Komersial Keseluruhan = = (3) =
)
(6) (7)
.
Adapun peralatan yang digunakan pada tulisan ini adalah sebagai berikut : 1. Generator DC Type GD 110/110, 220 V / 7,1 A (Armature), 220 V / 0,17 A (Field) 1,2 kW / 1500 rpm 2. Motor DC (sebagai prime mover) Type GD 110/140, 220 V / 9,1 A (Armature), 220 V / 0,64 A (Field), 2 kW / 1500 rpm 3. PTDC 4. Digital LCR Multimeter TES 2712 5. Feedback Power Suplay PS 189 6. Tachometer 7. Kabel penghubung
2. Efisiensi Elektrik
= =
100% =
Pada mesin DC (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang di perhitungkan, antara lain : 1. Efisiensi Mekanik = = (1)
+
Efisiensi
(4)
Dimana: Pout = VT . IL
(5)
-2-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
Adapun gambar rangkaian pengujian generator arus searah penguatan kompon dapat dilihat pada Gambar 3, 4, 5, dan 6.
Gambar 3
Gambar 6 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Diferensial
Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Kumulatif
4. Hasil dan Analisis Tujuan dilakukannya pengujian karakteristik pada tulisan ini untuk menentukan hubungan antara tegangan terminal dengan arus penguat bila arus jangkar dan putaran konstan. Dari persamaan tegangan diperoleh hubungan antara tegangan terminal dengan arus medan sebagai berikut : Ea = Vt + (Ia Ra +IL Rs) (8) Kemudian mengitung efisiensi dari generator tanpa memperhitungkan rugi-rugi dan torsi.
Gambar 4 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Kumulatif
=
100% =
.
4.1 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang kumulatif
Pada pengujian generator DC penguatan kompon panjang kumulatif ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 1. Tabel 1 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon panjang kumulatif Tabel 1 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Kumulatif n = 1500 rpm I = 5,0 Ampere R = 3,8 ohm R = 0,6 ohm
Gambar 5 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Diferensial
η (%)
-3-
(amp) 0.17
(volt) 122
(amp) 4.83
(ohm) 30.0
(volt) 143.898
(watt) 589.26
(watt) 719.49
81.899
0.16
118
4.84
27.9
139.904
571.12
699.52
81.644
0.15
116
4.85
25.4
137.91
562.6
689.55
81.589
0.14
113
4.86
24.2
134.916
549.18
674.58
81.410
0.13
104
4.87
20.6
125.922
506.48
629.61
80.443
0.12
102
4.88
19.7
123.928
497.76
619.64
80.330
0.11
97
4.89
18.2
118.934
474.33
594.67
79.763
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
0.10
87
4.9
16.8
108.94
426.3
544.7
78.263
0.09
84
4.91
16.0
105.946
412.44
529.73
77.858
0.08
78
4.92
14.4
99.952
383.76
499.76
76.788
0.07
64
4.93
11.3
85.958
315.52
429.79
73.412
0.06
`57
4.94
9.6
78.964
281.58
394.82
71.318
0.05
43
4.95
7.9
64.97
212.85
324.85
65.522
0.04
32
4.96
6.8
53.976
158.72
269.88
58.811
0.03
24
4.97
5.0
45.982
119.28
229.91
51.881
0.02
15
4.98
3.7
36.988
74.7
184.94
40.391
0.01
9
4.99
2.9
30.994
44.91
154.97
28.979
tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 Volt. 4.3 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang diferensial Pada pengujian generator DC penguatan kompon panjang diferensial ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 3. Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon panjang diferensial Tabel 3 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Diferensial n = 1500 rpm I = 5,0 Ampere R = 3,8 ohm R = 0,6 ohm
Dari Tabel 1 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 122 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 9 Volt. 4.2 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek kumulatif
η (%)
Pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 2. Tabel 2 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif Tabel 2 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Kumulatif n = 1500 rpm I = 5,0 Ampere R = 3,8 ohm R = 0,6 ohm η (%) (amp) 0.17
(volt) 124
(amp) 4.83
(ohm) 31.0
(volt) 145.898
(watt) 598.92
(watt) 729.49
82.101
0.16
120
4.84
28.7
141.904
580.8
709.52
81.858
0.15
117
4.85
25.9
138.91
567.45
694.55
81.700
0.14
113
4.86
24.3
134.916
549.18
674.58
81.410
0.13
106
4.87
21.4
127.922
516.22
639.61
80.708
0.12
103
4.88
20.2
124.928
502.64
624.64
80.473
0.11
99
4.89
19.5
120.934
484.11
604.67
80.061
0.10
89
4.9
17.8
110.94
436.1
554.7
78.619
0.09
86
4.91
16.4
107.946
422.26
539.73
78.235
0.08
78
4.92
14.6
99.952
383.76
499.76
76.788
0.07
66
4.93
11.8
87.958
325.38
439.79
73.985
0.06
58
4.94
10.3
79.904
286.52
399.52
71.716
0.05
45
4.95
8.4
66.97
222.75
334.85
66.522
0.04
35
4.96
7.6
56.976
173.6
284.88
60.937
0.03
27
4.97
5.5
48.982
134.19
244.91
54.791
0.02
18
4.98
4.1
39.988
89.64
199.94
44.833
0.01
10
4.99
3.3
31.994
49.9
159.97
31.193
(amp) 0.17
(volt) 155
(amp) 4.83
(ohm) 32.3
(volt) 176.898
(watt) 748.65
(watt) 884.49
84.641
0.16
149
4.84
30.7
170.904
721.16
854.52
84.393
0.15
145
4.85
28.8
166.91
703.25
834.55
84.266
0.14
140
4.86
27.0
161.916
680.4
809.58
84.043
0.13
127
4.87
25.6
148.922
618.49
744.61
83.062
0.12
124
4.88
24.8
145.928
605.12
729.64
82.934
0.11
115
4.89
23.7
136.934
562.35
684.67
82.134
0.10
104
4.9
22.5
125.94
509.6
629.7
80.927
0.09
96
4.91
20.7
117.946
471.36
589.73
79.928
0.08
84
4.92
19.4
105.952
413.28
529.76
78.012
0.07
77
4.93
18.3
98.958
379.61
494.79
76.721
0.06
61
4.94
15.8
82.964
301.34
414.82
72.643
0.05
49
4.95
13.5
70.97
242.55
354.85
68.352
0.04
37
4.96
10.6
58.976
183.52
294.88
62.235
0.03
26
4.97
8.7
47.982
129.22
239.91
53.861
0.02
15
4.98
6.3
36.988
74.7
184.94
40.391
0.01
10
4.99
4.8
31.994
49.9
159.97
31.193
Dari Tabel 3 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 155 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 Volt. 4.4 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek diferensial Pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 4. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial
Dari Tabel 2 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 124 Volt dan
-4-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
Tabel
4 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Diferensial n = 1500 rpm I = 5,0 Ampere R = 0,6 ohm R = 3,8 ohm η (%)
(amp) 0.17
(volt) 157
(amp) 4.83
(ohm) 33.4
(volt) 178.898
(watt) 758.31
(watt) 894.49
84.775
0.16
151
4.84
31.2
172.904
730.84
864.52
84.537
0.15
147
4.85
29.4
168.91
712.95
844.55
84.417
0.14
140
4.86
27.2
161.916
680.4
809.58
84.043
0.13
129
4.87
26.5
150.922
628.23
754.61
83.252
0.12
125
4.88
26.0
146.928
610
734.64
83.033
0.11
118
4.89
25.1
139.934
577.02
699.67
82.470
0.10
106
4.9
24.2
127.94
519.4
639.7
81.194
0.09
101
4.91
23.4
122.946
495.91
614.73
80.671
0.08
93
4.92
20.3
114.952
457.56
574.76
79.608
0.07
78
4.93
18.7
99.958
384.54
499.79
76.940
0.06
68
4.94
16.6
89.964
335.92
449.82
74.678
0.05
52
4.95
14.3
73.97
257.4
369.85
69.595
0.04
40
4.96
11.4
61.976
198.4
309.88
64.024
0.03
29
4.97
9.1
50.982
144.13
254.91
56.541
0.02
18
4.98
6.8
39.988
89.4
199.94
44.833
0.01
10
4.99
5.3
31.994
49.9
159.97
31.193
Gambar 7 Grafik Arus Medan Vs Tegangan Terminal Generator DC Penguatan Kompon Kumulatif Pada Gambar 7 terlihat kenaikan tegangan terminal seiring dengan kenaikan If. Tegangan tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon kumulatif, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif 124 Volt. Sedangkan tegangan terendah terdapat pada pengujian kompon panjang kumulatif 122 Volt.
Dari Tabel 4 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 157 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 Volt. 4.5 Analisis Data
Gambar 8 Grafik Arus Medan Vs Tegangan Terminal Generator DC Penguatan Kompon Diferensial
Dari data-data pada Tabel 1, 2, 3 dan 4 dilakukan perhitungan untuk mendapatkan tegangan keluaran generator, Pout, Pin dan efisiensi. Dalam penelitian ini digunakan beberapa persamaan-persamaan yang berlaku didalam perhitungan generator DC kompon. Tegang keluaran generator. =
− (
+
Pada Gambar 8 terlihat kenaikan tegangan terminal seiring dengan kenaikan If. Tegangan tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon diferensial, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial 157 Volt. Sedangkan tegangan terendah terdapat pada pengujian kompon panjang diferensial 155 Volt.
)
Daya keluaran =
.
Daya masukan =
.
(9)
Efisiensi generator =
100%
Dengan melakukan perhitungan seperti persamaan di atas pada tiap-tiap tegangan, maka diperoleh Ea, Pout, Pin dan efisiensi. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 1, 2, 3, dan 4. Berikut hasil pengujian dalam bentuk grafik, dapat dilihat pada Gambar 7, 8, 9, dan 10. -5-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 1/Oktober 2014
2.
3. Gambar 9 Grafik Arus Medan Vs Efisiensi Generator DC Penguatan Kompon Kumulatif
4.
Pada Gambar 9 terlihat kenaikan efisiensi seiring dengan kenaikan If. Efisiensi tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon kumulatif, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif 82,1 %. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada pengujian kompon panjang kumulatif 81,8 %.
5.
sehingga nilai Ea turun yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. Tegangan yang dibangkitkan pada generator DC penguatan kompon diferensial lebih besar dibandingkan dengan generator DC penguatan kompon kumulatif, ini terlihat dengan arus medan yang sama. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon pendek kumulatif lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon panjang kumulatif. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon pendek diferensial lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon panjang diferensial. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon diferensial lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon kumulatif.
6. Referensi
[1]. Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta : 1991. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta : 2000. [3]. Niko ardian, Randy, Analisa Perbandingan Pengaruh Karakteristik Berbeban Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguatan Shunt, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan : 2010. [4]. Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Djambatan, Jakarta : 2001. [2].
Gambar 10 Grafik Arus Medan Vs Efisiensi Generator DC Penguatan Kompon Diferensial Pada Gambar 10 terlihat kenaikan efisiensi seiring dengan kenaikan If. Efisiensi tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon diferensial, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial 84,7 %. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada pengujian kompon panjang diferensial 84,6 %.
[5]. Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1986.
5. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan analisa perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani, dan arus medan If pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun
-6-
copyright @ DTE FT USU
