ANALISIS PENGARUH JATUH TEGANGAN TERHADAP KINERJA MOTOR ARUS SEARAH KOMPON Irpan Rosidi Tanjung, Surya Tarmizi Kasim 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 Turunnya tegangan supply pada motor arus searah mempengaruhi kinerja motor. Motor arus searah kompon banyak digunakan sebagai penggerak pada dunia industri, oleh karena tulisan ini dibuat untuk mengetahui jenis motor arus searah penguatan kompon yang terbaik akibat jatuhnya tegangan supply. Tulisan ini membahas hasil penelitaian didapatkan hasil bahwa motor arus searah kompon panjang memiliki jatuh putaran yang tidak terlalu jauh akibat jatuh tegangan torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon panjang diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar 0,107 N-m dan 1450 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0820-m dan 1270 rpm sedangakan torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon pendek diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar 0,106 N-m dan 1480 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0975-m dan 1250 rpm.
Kata Kunci : Motor arus searah, Tegangan, Torsi, Putaran menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar (Ia), sehingga pada konduktor kumparan jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar.Fluksi jangkar ini akan memotong fluksi dari kumparan medan sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Sesuai dengan hukum Lorentz, interaksi antara kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu gaya mekanik pada konduktor jangkar yang disebut gaya Lorentz. Besar gaya ini sesuai dengan Persamaan (1): F=B.i.l (1) Dimana: F = gaya yang bekerja pada konduktor (N) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2) i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) Gaya yang timbul pada konduktor jangkar tersebut akan menghasilkan momen puntir atau torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan Persamaan (2) berikut : Ta = F . r (2) dimana : Ta = torsi jangkar (Newton-meter) r = jari-jari rotor (meter)
2. Pendahuluan Motor DC sangat banyak digunakan dalam aplikasi industri. Penggunaan motor DC dapat dijumpai misalnya sebagai penggerak beban mekanik. Motor DC yang digunakan di bidang industri pada umumnya memiliki kapasitas daya yang relatif besar dan disesuaikan dengan beban mekanis serta volume produksi. Untuk itu sebuah motor DC ditunut harus memiliki torsi dan putaran yang sesuai dengan kebutuhan. Dalam prakteknya tegangan yang disupply oleh pembangkit tidaklah sama untuk setiap waktunya. Terdapat suatu gangguan berupa tegangan jatuh pada saluran penghantar yang dapat mempengaruhi kerja berbagai peralatan listrik khususnya motor DC. Dengan demikian, perlu dilakukan pengujian untuk mengetahui pengaruh jatuh tegangan terhadap torsi dan putaran pada motor DC penguatan kompon.
3. Motor DC Kompon Motor DC adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran [1]. Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetik. Ketika kumparan medan dan kumparan jangkar dihubungkan dengan sumber tegangan DC, maka pada kumparan medan mengalir arus medan (If) pada kumparan medan, sehingga
Berdasarkan sumber tegangan penguatnya, motor DC dibagi menjadi dua, yaitu motor DC penguatan terpisah (penguatan luar) dan motor
– 94 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015
DC penguatan sendiri. Salah satu jenis motor DC penguatan sendiri adalah motor DC penguatan kompon.Motor DC penguatan kompon merupakan gabungan motor DC penguatan seri dan motor DC penguatan shunt. Motor DC penguatan kompon dapat dibagi menjadi dua, yaitu [2]:
Vt = Ea + Is.Rs + Ia.Ra (4) Dimana : Vt = Tegangan terminal Motor (Volt) Ea = Tegangan jangakar Motor (Volt) Ia = arus kumparan jangkar (Ampere) Is = arus kumparan seri (Ampere) Ra = Tahanan Kumparan jangkar (Ohm) Rs = Tahanan Kumparan Seri (Ohm)
1) Motor DC Penguatan Kompon Panjang Pada motor DC penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon panjang dapat dilihat pada Gambar 1 :
1.1 Jatuh tegangan Jatuh tegangan adalah selisih antara tegangan ujung pengirim dengan tegangan ujung penerima. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut [3]: V = Vs – Vr
(5)
dimana: V = jatuh tegangan (volt) Vs = tegangan di sisi pengirim (volt) Vr = tegangan di sisi penerima (volt)
Atau dapat juga ditulis dalam bentuk
Gambar 1 Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon panjang
persentase :
Dari Gambar 1 di atas, diperoleh persamaan tegangan terminal motor DC penguatan kompon panjang seperti ditunjukkan oleh Persamaan (3) : Vt = Ea + Ia (Rs + Ra)
V(%)=
V x100% V
(6)
Dimana: V (%) = rugi tegangan dalam persen V = tegangan kerja (volt) V = rugi tegangan (volt) Untuk menghitung jatuh tegangan, diperhitungkan reaktansinya, maupun faktor dayanya yang tidak sama dengan satu. Maka tegangan yang hilang disepanjang saluran penghantar adalah [4]:
(3)
2) Motor DC Penguatan Kompon Pendek Pada motor DC penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon pendek dapat dilihat pada Gambar 2 :
V= I ( R cos + X sin )
(7)
Dimana: I = arus beban (ampere) R = tahanan saluran (ohm) X = reaktansi saluran (ohm) Cos = faktor daya beban Gambar 2 Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon pendek
Besar gaya gerak listrik induksi pada kumparan jangkar akibat berputarnya rotor yang terletak di antara kutub magnet adalah [5]:
Dari Gambar 2 di atas, diperoleh persamaan tegangan terminal motor DC penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh Persamaan (4) :
Ea = K . n . Ф
– 95 –
(8)
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015
Atau dapat juga ditulis:
Listrik FT-USU dengan spesifikasi sebagai berikut:
n=
(9)
.Ф
V = 220 V P = 1,2 kW IL = 7,1 A Ish = 0.177 A n = 1400 rpm Jumlah Kutub = 2 Kelas Isolasi = B Tahanan Medan Shunt (J-K) Tahanan Medan Seri (E-F) Tahanan Jangkar (GA-HB)
Untuk motor DC kompon Panjang ditunjukkan Persamaan (10) dan untuk motor DC kompon pendek ditunjukkan Persamaan (11): Ea = Vt – Ia x (Rs + Ra) (10) Ea = Vt – Is x Rs – Ia x Ra
(11)
Oleh karena itu persamaan persamaan (8) (9) dapat ditulis kem bali menjadi : (
n=
)
.Ф .(
n=
)
.(
.Ф
)
2.1 Variabel yang diamati
(12)
Variabel yang diamati adalah perubahan arus medan (Ish) dan arus jangakar (Ia) akibat pengaruh dari perubahan kecepatan motor arus searah.
(13)
2.2 Rangkaian Percobaan Rangkaian percobaan pada motor DC kompon panjang tanpa beban ditunjukkan pada Gambar 3 :
Dengan demikian, keceptan putar motor dapat diperoleh dengan mengubah-ubah flux magnit (Ф), pengaturan arus armatur (Ia) atau pengubahan tegangan terminal (Vt) [6] . Hubungan pengaruh turunnya tegangan terhadap persamaan torsi jangkar yang dihasilkan oleh motor dapat kita perhatikan pada Persamaan (12).
=
Gambar 3 Rangkaian percobaan DC lompong panjang tanpa beban
(14)
Dilakukan subtitusi Persamaan (14) ke dalam Persamaan (11) sehingga didapatkan:
=
(Vt – Ia x (Rs + Ra))
= 1,25 k = 0,6 = 3,8
Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek tanpa beban ditunjukkan pada Gambar 5 :
(15)
Dari Persamaan (13) dan (15) yang ditunjukkan diatas dapat dilihat bahwa penurunan tegangan terminal pada motor DC kompon akan berpengaruh terhadap penurunan torsi dan putaran yang dihasilkan oleh motor [7].
Gambar 5 Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek tanpa beban
2. Metode Penelitian
Rangkaian percobaan motor DC kompon panjang berbeban ditunjukkan pada Gambar 6 :
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh jatuh tegangan terhadap kinerja motor arus searah kompon. Motor yang digunakan pada pengujian ini adalah motor DC AEG tipe Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983745 dengan penguatan kompon yang terdapat di Laboratorium Konversi Energi
– 96 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015 3. Hasil dan Analisis 3.1 Hasil pengujian motor DC kompon tanpa beban Mesin listrik berfungsi sebagai motor listrik apabila didalamnya terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energy mekanik. Sedangkan untuk motor dc itu sendiri memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Energi mekanik yang dihasilkan oleh motor biasanya berupa torsi dan putaran. Untuk menggerakkan beban maka torsi dan putaran yang dihasilkan olehmotor harus sesuai dengan kebutuhan beban.
Gambar 6 Rangkaian percobaan pada motor DC kompon panjang berbeban
Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek berbeban ditunjukkan pada Gambar 7 :
Tabel 1 Data motor arus searah Kompon panjang tanpa beban Vt Ia Ish Is Il N 220 2,80 0,18 2,80 2,98 1650 215 2,73 0,18 2,73 2,91 1600 210 2,70 0,17 2,70 2,87 1600 205 2,68 0,17 2,68 2,85 1550 200 2,65 0,16 2,65 2,81 1520 195 2,60 0,16 2,60 2,76 1500 190 2,57 0,15 2,57 2,72 1450
Gambar 7 Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek berbeban
2.3 Prosedur Pengambilan Data Adapun prosedur pengambilan data pada Tulisan ini adalah sebagai berikut: 1. Rangkaian dibuat seperti pada gambar 4.3 dan 4.4 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum. 2. Saklar S2 ditutup, kemudian arus medan (If) generator dinaikkan dengan menaikkan PTDC 2 sampai pembacaan A4 mencapai arus medan nominal generator yaitu 0,64 Ampere. 3. Saklar S1 ditutup, kemudian tegangan terminal motor dinaikkan secara perlahan dengan cara menaikkan PTDC 1 sampai V1 menunjukkan tegangan nominal motor yaitu 220 Volt sehingga motor berputar. 4. Pada saat itu dicatat nilai IL pada pembacaan A1, Ish pada pembacaan A2, Ia pada pembacaan A3, tegangan keluaran generator (Eg) pada pembacaan V2 serta n pada pembacaan tachometer. 5. Setelah itu tegangan terminal motor diturunkan secara bertahap sesuai dengan nilai yang telah ditentukan, kemudian dicatat nilai IL pada pembacaan A1, Ish pada pembacaan A2, Ia pada pembacaan A3, tegangan keluaran generator (Eg) pada pembacaan V2 serta n pada pembacaan tachometer pada setiap tahapan penurunan nilai tegangan terminalnya.
Dari data yang ditunjukkan pada Tabel 1 didapatkan bahwa untuk penurunan nilai tegangan terminal, terjadi penurunan kecepatan motor. Tabel 2 Data motor arus searah Kompon pendek tanpa beban
Vt 220 215 210 205 200 195 190
Ia 2,83 2,75 2,72 2,68 2,64 2,61 2,58
Ish 0,19 0,18 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16
Is 3,02 2,93 2,9 2,85 2,81 2,77 2,84
Il 3,02 2,93 2,9 2,85 2,81 2,77 2,84
N 1600 1570 1550 1500 1500 1450 1420
Penurunan kecepatan juga terjadi seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Penurunan kecepatan terjadi akibat penurunan nilai tegangan.
– 97 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015 Persamaan (14) dan rugi-rugi total motor ditunjukkan Persamaan (16):
3.2 Hasil pengujian motor DC lompong berbeban
POUT = 2πnT
Tabel 3 Data motor arus searah Kompon panjang berbeban
Vt 220 215 210 205 200 195 190
Ia 4,94 4,84 4,80 4,74 4,70 4,67 4,64
Ish 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16 0,16 0,15
Is 4,94 4,84 4,80 4,74 4,70 4,67 4,64
Il 5,12 5,01 4,97 4,9 4,86 4,83 4,79
=( ) ×( ) ×
N 1450 1420 1400 1370 1350 1300 1270
Sedangkan untuk keadaan motor DC kompon berbeban seperti ditunjukkan pada Tabel 3 terlihat bahwa terjadi penurunan kecepatan motor seiring dengan penurunan tegangan terminal.
Ia 2,83 2,75 2,72 2,68 2,64 2,61 2,58
Ish 0,19 0,18 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16
Is 3,02 2,93 2,9 2,85 2,81 2,77 2,84
Il 3,02 2,93 2,9 2,85 2,81 2,77 2,84
N 1600 1570 1550 1500 1500 1450 1420
Sedangkan pada Tabel 4 terlihat terjadi penurunan kecepatan untuk motor arus searah kompon pendek berbeban saat terjadi penurunan tegangan terminal.
) ×
(16)
Sehingga daya keluaran motor yang digunakan untuk melayani beban adalah : = − − (17) Maka efisiensi motor adalah : η =
Tabel 4 Data motor arus searah Kompon pendek berbeban
Vt 220 215 210 205 200 195 190
Torsi =
+(
(14) (15)
Pout x 100 % Pin
(18)
Dengan melakukan perhitungan seperti Persamaan (18) pada setiap penambahan tahanan medan diperoleh putaran tertinggi pada motor DC kompon pendek 1480 Rpm dengan Torsi 0,106 N-M dan motor DC kompon pendek 1450 Rpm dengan Torsi 0,107 seperti ditunjukkan Tabel 5 dan Tabel 6 Tabel 5 Data hasil analisa pengaruh pengaturan kecapatan metode pengaturan fluksi pada motor DC kompon pendek Vt 220 215 210 205 200 195 190
Ia 4,89 4,79 4,74 4,70 4,68 4,66 4,60
Ish 0,18 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16 0,16
Is 5,07 4,97 4,93 4,87 4,84 4,82 4,76
Il 5,07 4,97 4,93 4,87 4,84 4,82 4,76
n 1480 1450 1400 1380 1350 1300 1250
η(%) 86,90 86,68 86,81 86,36 86,12 86,56 85,86
Ta 0,1060 0,1055 0,1052 0,1040 0,1024 0,1014 0,0975
Tabel 6 Data hasil analisa pengaruh pengaturan kecapatan metode pengaturan fluksi pada motor DC kompon panjang
3.3 Analisa data Dari data pada Tabel 1, Tabel 2, Tabel 3, dan Tabel 4 dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi terbaik dari pengaruh jatuh tegangan ini digunakan beberapa persamaa yang berlaku dalam perhitungan efisiensi motor DC kompon. Sebelum mencari besarnya efisiensi motor DC kompon tentukan GGL armatur,untuk motor DC kompon Panjang ditunjukkan Persamaan (8) dan untuk motor DC kompon pendek ditunjukkan Persamaan (9). Pengujian pada kondisi berbeban digunakan untuk menentukan daya output pada kondisi berbeban yang ditunnjukkan oleh
Vt 220 215 210 205 200 195 190
Ia 4,94 4,84 4,80 4,74 4,70 4,67 4,64
Ish 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16 0,16 0,15
Is 4,94 4,84 4,80 4,74 4,70 4,67 4,64
Il 5,12 5,01 4,97 4,9 4,86 4,83 4,79
n 1450 1420 1400 1370 1350 1300 1270
η(%) 86,80 86,43 86,80 86,80 86,70 86,33 86,40
Ta 0,1070 0,1050 0,1030 0,1010 0,0995 0,0990 0.0820
Pengaruh jatuh tegangan terhadap kinerja motor arus searah kompon dapat dilihat pada Gambar 8, Gambar 9 dan Gambar 10 :
– 98 –
copyright@ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL.11 NO.31/JUNI 2015
1500
pada tegangan terendah 190 Volt didapat torsi sebesar 0,0975 N-M.
1400
4. Kesimpulan
1300
Berdasarkan analisis disimpulkan sebagai berikut: 2. Torsi dan putaran pada motor arus searah penguatan kompon akan menurun seiring dengan turunnya tegangan yang di supply ke terminal motor. 3. torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon pendek diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar 0,106 N-m dan 1480 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0975-m dan 1250 rpm. 4. Torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon panjang diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar0,107 N-m dan1450 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0820-m dan 1270 rpm. 5. Perubahan tegangan terminal tidak berdampak signifikan pada efisiensi motor arus searah kompon.
1200 1100 190 195 200 205 210 215 220 Gambar 8 Grafik perbandingan pengaruh jatuh tegangan terhadap putaran
Gambar 8 menunjukkan bahwa motor arus searah kompon panjang (merah) memiliki jatuh putaran yg lebih baik dibanding kompon pendek.
Kompon Panjang
0.108 0.106 0.104 0.102 0.1 0.098
Kompon Panjang
0.096 0.094 0.092 190 195 200 205 210 215 220 Gambar 9 Grafik pengaruh jatuh tegangan terhadap torsi pada motor arus searah kompon panjang
Gambar 9 menunjukkan bahwa jatuh tegangan mengakibatkan nilai torsi menurun, pada tegangan terendah 190 Volt didapat torsi sebesar 0,0820 N-M. 0.15
kompon Pendek 0.1
0.05
0 190 195 200 205 210 215 220 Gambar 10 Grafik pengaruh jatuh tegangan terhadap torsi pada motor arus searah kompon pendek
Referensi [1] Bimbra, P.S,”Generalized Circuit Theory of Electrical Machines”, Khanna Publisher, India, 1975. [2] Theraja, B.L. & Theraja, A.K, “A Text Book of Electrical Technology”, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001. [3] Theodore, Wildi,”Electrical Machine Drives and Power Systems “, Prentice Hall Internasional, Liverpool, 1983. [4] Sawhney, A.K,”Electrical Machine Design”, Dhanpat Rai and sons, Patiala,1970. [5] Lister, Eugene C,“Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988. [6] Wijaya, Mochtar,”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Djambatan, Jakarta, 2001. [7] Gonen, Turan, “Electric Power Distribution System Engineering”, McGraw-Hill, Inc., New York, 1986.
Gambar 10 menunjukkan bahwa jatuh tegangan mengakibatkan nilai torsi menurun,
– 99 –
copyright@ DTE FT USU
