ANALISIS PERBANDINGAN EFEK PEMBEBANAN TERHADAP GGL BALIK DAN EFISIENSI PADA MOTOR DC PENGUATAN KOMPON PANJANG DAN MOTOR INDUKSI Jean Jhenesly F Tumanggor, Ir. Riswan Dinzi, MT 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 Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi enegi mekanis. orang beranggapan bahwa tidak perlu lagi dipelajari motor arus searah karena dipergunakan pada industri-industri sudah sangat kurang. Namun akhirnya beberapa tahun terakhir ini motor arus searah mengalami perkembangan ada beberapa alasan untuk dilanjutkan popularitas dari motor dc. Paper ini membahas analisis perbandingan efek pembebanan terhadap GGL balik dan efisiensi pada motor dc kompon panjang dan motor induksi. Besar efisiensi maksimum pada motor dc kompon panjang adalah 43,8081 % dengan besar GGL lawan 193,9960 V pada arus beban atau arus beban 5,91 A dan efisiensi minimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 17,8196% dengan besar GGL lawan 204,9520 A dan arus beban sebesar 3,42 A. Motor induksi adalah mesin yang paling banyak digunakan dalam industri. Dalam aplikasinya motor induksi banyak digunakan untuk kebutuhan sehari-hari, juga untuk industri. Perhitungan GGL balik dan efisiensi motor secara akurat diperlukan untuk mengetahui kondisi aktual motor induksi yang pada akhirnya bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja sistem secara keseluruhan. Tingkat efisiensi motor induksi dipengaruhi oleh rugi–ruginya. Besar efisiensi maksimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 84,6419 % dengan besar GGL lawan 370,8318 V pada arus beban atau arus stator 5,16 A dan efisiensi minimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 80,5003% dengan besar GGL lawan 369,4386 V dan arus beban sebesar 5,94 A. Kata Kunci : GGL Balik, Motor dc, Motor induksi Tiga fasa Rotor belitan, Efisiensi
1. Pendahuluan
2. Motor DC dan Motor Induksi Tiga Fasa
Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Pada motor arus searah energi listrik yang diubah adalah energi arus searah yang berasal dari sumber tegangan listrik arus searah. Dimana sumber tegangan ini dihubungkan pada rangkaian medan dan rangkaian jangkar dari motor tersebut. Akhir-akhir ini mungkin banyak orang beranggapan bahwa tidak perlu lagi mempelajari motor arus searah karena penggunaannya pada industri-industri sudah sangat kurang. Oleh sebab itu, perlu dilakukan pengujian untuk membandingkan pengaruh efek pembebanan dan efisiensi pada motor dc penguatan kompon panjang dan motor induksi tiga fasa merupakan masalah yang sangat penting dalam motor listrik karena motor yang akan terus dibebani, maka akan mempengaruhi terhadap besar GGL balik dan efisiensi pada sebuah motor.
Motor arus searah (DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran. Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam dan bagian yang berputar. Kumparan medan pada stator tersebut dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus medan (If). Kumparan medan yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garis– garis fluksi). Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus jangkar, berdasarkan hukum Lorenzt kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula halnya pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari
-53-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
kedua kutub dan panjang konduktor jangkar (l). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar [1]. Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah induksi magnetik (B) maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah seperti pada Persamaan 1 [2]. F = B . I . l Newton (1) di mana : I = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere) B = Kerapatan fluksi (Weber/m2) l = Panjang konduktor jangkar (m) Maka, besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor jangkar z dapat dilihat pada Persamaan 2. (2) F z.B.I ..l Newton Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas akan menghasilkan torsi dapat dilihat pada persamaan 3. Ta F .r Newton-meter (3) Maka, Ta z.B.I .l.d / 2 Newton- meter (4) Apabila torsi start lebih besar daripada torsi beban maka jangkar akan berputar. Sehingga prinsip kerja motor dc dapat dilihat pada Gambar 1.
sedangkan yang lainnya meninggalkan dot, sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling mengurangi. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial (lawan) pada Gambar 2. R
s
+ IL V
R
t
Is
Ish
Ia R
sh
+ Ea -
a
-
Gambar 2 Rangkaian ekuivalen motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial (lawan) [2] b. Motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif (bantu). Pada motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif, polaritas kedua kumparan medannya sama atau dikarenakan kedua arus medannya sama – sama memasuki dot, sehingga fluksi yang dihasilkannya saling menguatkan. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif (bantu) pada Gambar 3. .
Rs
+ IL V
t
Ish R sh
.
Is
Ia Ra
+ Ea -
-
Gambar 3 Rangkaian ekuivalen motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif (bantu) [2] Gambar 1. Prinsip kerja Motor DC [2] Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Motor arus searah penguatan kompon panjang ini dibagi menjadi 2 jenis, yaitu [2]: a. Motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial (lawan). Pada motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan atau sesuai aturan dot, salah satu arus medannya memasuki dot
Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor arus searah penguatan kompon panjang adalah: Vt=Ea+IaRa+IsRs IL=Ia+Ish Is=Ia Maka Vt = Ea + Ia( Ra + Rs )
-54-
V I sh t Rsh
(5) (6) (7) (8) (9)
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
Motor induksi terdiri atas dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk silinder dan simetris. Diantara rotor dan stator ini terdapat celah udara yang sempit. Motor induksi adalah peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi mekanik. Pengubahan energi ini bergantung pada keberadaan fenomena alami magnetik dan medan listrik pada satu sisi dan gaya mekanis dan gerak di sisi lainnya. Prinsip kerja motor induksi tiga fasa dijabarkan dalam langkah-langkah sebagai berikut [3]: 1. Pada keadaan beban nol, ketiga fasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan fasa.Arus pada tiap fasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubahubah. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan fasa. 2. Akibat fluksi yang berputar timbul GGL pada stator motor yang besarnya adalah : e1= N1
d dt
(10)
3. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut juga putaran sinkron ns yang besarnya ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan dengan : (11) 120. f
ns
4.
5.
6. 7.
tegangan yang terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung 8. Besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s yang Besarnya E2s 4,44sfN 2 m (13) dimana E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar f2 = s.f frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar) Rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa seperti pada Gambar 4.
Gambar 4 Rangkaian ekivalen Motor induksi Tiga fasa [4] Sehingga rumus pada GGL Balik InduksiTiga Fasa sebagai berikut [3] : V1= E1 + I1 (R1+ J X1) Volt
Motor (14)
3. Pengaruh efek pembebanan pada Motor dc kompon panjang dan motor induksi Tiga Fasa
Biasanya efek pembebanan pada motor sangat mempengaruhi parameter-parameter khususnya Fluksi yang berputar tersebut akan memotong pada motor induksi dan motor DC. Karena motor batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada DC adalah mesin dc sedangkan motor induksi kumparan rotor timbul tegangan induksi adalah mesin bolak balik (Alternating Current). (GGL) sebesar E2 yang besarnya: Untuk mengetahui nilai parameter seperti GGL (12) balik dan efisiensi pada motor DC dan motor E 2 4,44 fN 2 m induksi dapat dipahami melalui rangkaian ekivalen dimana : masing – masing motor induksi dan motor DC. E2 = Tegangan induksi pada rotor saat Ketika jangkar motor DC berputar di bawah rotor dalam keadaan diam pengaruh GGL penggerak, konduktor jangkar N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor bergerak di dalam medan magnet dan akan Фm = Fluksi maksimum menghasilkan tegangan induksi di dalamnya E2 menghasilkan arus rotor (I2) , I2 dalam seperti halnya pada generator. GGL induksi medan maget menghasilkan gaya pada rotor bekerja pada arah yang berlawanan dengan F rotor sehingga menimbulkan Kopel Mula tegangan terminal Vt (sesuai dengan bunyi Hukum Bila Kopel Mula lebih besar dari Kopel Beban, Lenz) dan dikenal sebagai GGL lawan atau GGL maka rotor akan berputar balik Ea. GGL balik Ea (=PΦZN/60A) biasanya Perputaran rotor akan semakin meningkat kurang dari tegangan terminal V, meskipun hingga mendekati kecepatan sinkron. perbedaan ini kecil sekali pada saat motor berjalan Perbedaan kecepatan medan stator (ns ) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) , besarnya di bawah kondisi normal. Dalam memutar GGL pada motor dc sama dengan memutar balik putaran pada motor dc. [4] Adanya GGL balik menjadikan -55copyright @ DTE FT USU
p
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
motor DC yaitu motor memikul arus jangkar sesuai dengan yang dibutuhkan untuk membangkitkan GGL lawan.
Ia
Vt Ea Ra
(15)
1. Ketika motor berjalan pada kondisi tanpa beban, GGL yang kecil dibutuhkan untuk mengatasi rugi-rugi gesek dan angin. Dengan demikian, arus jangkar Ia juga kecil dan GGL balik besarnya hampir sama dengan tegangan terminal. 2. Jika motor tiba-tiba dibebani, efek yang pertama sekali dirasakan adalah penurunan kecepatan jangkar. Sehingga kecepatan konduktor jangkar yang bergerak di dalam medan magnet berkurang dan begitu juga dengan GGL balik Ea. Berkurangnya GGL balik menyebabkan arus yang besar mengalir melalui jangkar dan arus yang besar ini juga meningkatkan GGL penggerak. Maka, GGL penggerak meningkat seiring dengan menurunnya kecepatan motor. Penurunan kecepatan motor akan berhenti ketika arus jangkar sudah cukup untuk menghasilkan GGL yang dibutuhkan oleh beban. 3. Jika beban motor dikurangi GGL penggerak sesaat melebihi dari yang dibutuhkan sehingga jangkar mengalami percepatan. Karena kecepatan jangkar meningkat, GGL balik juga akan meningkat dan menyebabkan arus jangkar Ia berkurang. Motor akan berhenti dari percepatannya jika arus jangkar sudah cukup untuk menghasilkan GGL yang dibutuhkan oleh beban. Dengan demikian, GGL balik di dalam motor DC mengatur aliran arus jangkar, yang secara otomatis merubah besaran arus jangkar untuk memenuhi kebutuhan beban. Perhitungan untuk efisiensi motor dc induksi tiga fasa dirumuskan pada Persamaan 16. [6]: ηm=
Pout x 100% Pin
(16)
yang hanya melawan Tegangan sumber sehingga GGL lawan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3. untuk mendapatkan nilai GGL lawan pada motor induksi tiga pahasa [3]. Dengan menentukan nilai parameter parameter pada rangkaian ekivalen motor induksi terlebih dahulu melalui 3 tes yaitu : (i) Percobaan beban nol (ii) Percobaan rotor tertahan (iii) Percobaan tahanan dc Perhitungan untuk efisiensi motor dc Induksi tiga fasa dirumuskan pada Persamaan 17. (%)
Pout Pin Ploss Pout x100% x100% x100% Pin Pin Pout Ploss
(17)
4. Hasil Simulasi dan Analisis Percobaan pengukuran analisis efek pembebanan pada motor dc dan motor induksi dapat dilakukan dengan mensimulasi besar nilai GGL lawan pada motor dc kompon panjang dan motor induksi dengan menentukan terlebih dahulu nilai parameter-parameter pada motor dc kompon panjang dan motor induksi.Percobaan ini dilakukan untuk menentukan nilai besar GGL lawan dan efisiensi dari motor dc kompon panjang dan motor induksi sehingga rugi-rugi dapat dikurangi dan perawatan minimum. Motor yang digunakan pada analisis ini adalah motor DC AEG tipe Gd 110/110G-Motor 7983745 dengan penguatan kompon panjang yang terdapat dilaboratorium konversi energy Listrik FT-USU dengan spesifikasi sebagai berikut: 2 Kutub, Tegangan 220 v, TYPE ISOLASI B, 1400 rpm, 50 Hz, Ish=0.177 Ampere, Daya 1.2 Kw, Daya 1.2 Kw, Il = 7.1 A Rsh (J-K) = 1.25 kΩ Rs (E-F) = 0,6 kΩ Ra (GA-HB) = 3,8 kΩ Dari pengujian yang dilakukan dari kondisi berbeban diperoleh pada data Tabel 1. Tabel 1 Data Percobaan Berbeban Motor DC Kompon Panjang
Dalam menghasilkan GGL lawan pada motor induksi maka gelombang fluks celah-udara yang berputar serempak membangkitkan GGL lawan fasa banyak seimbang di dalam fasa-fasa stator. Persen beban (%) Is=Ia Besarnya tegangan terminal stator berbeda dari 25 3.42 Ampere GGL lawan sebesar jatuhnya tegangan pada 50 4.05 Ampere reaktansi bocor stator pada stator akan timbul GGL 75 4.93 Ampere induksi sendiri E1 atau dengan kata lain GGL 100 5.91 Ampere lawan (balik) maupun dalam keadaan berbeban maupun tanpa beban, karena hanya GGL lawan E1 Dari pengujian yang dilakukan dari kondisi tanpa -56copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
beban diperoleh pada data Tabel 2. Tabel 2 Percobaan Tanpa Beban Motor DC Kompon Panjang
200
Is=Ia 2.69 Ampere
150 g g l b a lik
( % Beban) -
ggl balik thd arus beban
100
Motor yang digunakan pada analisis ini dilaboratorium konversi energy Listrik FT-USU dengan spesifikasi sebagai berikut:
50
0
AEG Type C Am 112MU4RI - 2.2 Kw, Cosφ 0.67 - Δ/Y 220/360 V 10.7/6.2 - TYPE ISOLASI B - 1500 rpm, 50 Hz - Amperemeter AC & DC - Volt Meter - Tahanan Geser -Watt Meter 3φsumber tegangan AC dan DC
3
3.5
4
4.5 arus beban
5
5.5
6
Gambar 5 Grafik GGL balik VS arus beban Pada Motor DC Kompon Panjang
Berdasarkan data-data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat dilakukan analisis perhitungan dengan simulasi program software matlab seperti pada Tabel 4. Tabel 4 Analisis Data pada Motor DC Kompon panjang ARUS GGL Persen Effisiensi BEBAN LAWAN beban (%) (IS=Ia) Volt (%) ampere 204.9520 17.8196 3.42 25 202.1800 27.8436 4.05 50 198.3080 37.1842 4.93 75 193.9960 43.8081 5.91 100
Sehingga kurva efissiensi terhadap beban pada motor dc kompon panjang seperti ditunjukkan pada Gambar 6. effisiensi thd arus beban 100
80
e ffis ie n s i
Adapun data percobaan pada motor induksi tiga fasa rotor belitan seperti pada Tabel 3. Tabel 3 Data percobaan pada Motor Induksi Tiga fasa rotor belitan Arus Putara P ARUS Persen stator ( n rotor input ROTOR beban amper (rpm) (Kw) Ampere e) 25 4.71 1400 1.2 7.52 50 5.16 1350 1.7 9.51 75 5.94 1350 2.4 14.72 100 5.98 1300 2.45 14.54
60
40
20
0 3
3.5
4
4.5 arus beban
5
5.5
6
Gambar 6 Grafik Effisiensi VS arus beban Pada Motor DC Kompon Panjang Berdasarkan data-data yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat dilakukan analisis perhitungan dengan simulasi program software matlab seperti pada Tabel 5. Tabel 5 Analisis Data pada Motor Induksi Tiga Fasa rotor belitan Persen Arus stator Putaran beban (ampere) rotor (rpm)
Sehingga dapat digambarkan kurva GGL lawan terhadap beban seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
P input (Kw)
GGL balik (E1) VOLT
(%)
ARUS ROTOR Ampere
25
4.71
1400
1.2
371.6040
83.8464
7.52
50
5.16
1350
1.7
370.8318
84.6419
9.51
75
5.94
1350
2.4
369.5061
80.5003
14.72
100
5.98
1300
2.45
369.4386
81.0616
14.54
Sehingga dapat digambarkan kurva GGL lawan terhadap beban seperti ditunjukkan pada Gambar 7. -57-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
ggl balik thd beban 350 300
g g l b a lik
250 200 150 100 50 0 4.5
5
5.5
6
arus stator
Gambar 7 Grafik GGL balik VS arus stator Pada Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan
6.
sehingga kurva efisiensi terhadap beban pada motor induksi tiga fasa rotor belitan dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 8. eta (effisiensi) thd beban 100
80
e ta
60
40
20
0 4.5
5
5.5
pada motor dc dan motor induksi rotor belitan yang dihasilkan juga akan bertambah. 3. Menurut percobaan effisiensi pada motor dc kompon panjang akan meningkat seiring meningkatnya arus beban sedangkan pada motor induksi tiga fasa rotor belitan berbeda diakibatkan oleh pembebanan yang bervariasi. 4. GGL lawan pada motor dc kompon panjang dan motor induksi tiga fasa akan meningkat seiring meningkatnya beban pada motor dc kompon panjang dan motor induksi tiga fasa rotor belitan.
6
arus stator
Gambar 8 Grafik Efisiensi VS arus stator Pada Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan
5. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari tugas akhir ini adalah: 1. Besar Parameter Motor Induksi yang diperoleh dari percobaan ini adalah : R m = 40.937 Ohm X1 = 3,061 Ohm R1 = 1.842 Ohm X 2’ = 4.591 Ohm R2 ’ = 0.42 Ohm Xm = 61.1 Ohm Sedangkan pada motor dc penguatan kompon panjang : Rs = 0,6 Ohm Rsh = 1250 Ohm Ra= 3,8 Ohm 2. Pada percobaan pengaruh pembebanan terhadap arus stator dan arus rotor dan arus jangkar yang dihasilkan, diketahui bahwa jika persen beban yang dihubungkan ke rotor diperbesar maka nilai arus stator dan arus rotor dan arus jangkar
Daftar Pustaka
[1] Chapman, J Stephen, “Electrical machinery Fundamental”, Mc Graw-Hill Book Company, singapore, 1999 [2] Mehta, V,k dan Mehta, Rohit, “ Principles of electrical machines” first edition, S. chand and company LTD, Ram Nagar, New Delhi, 2002. [3] Fitzgerald Kingslay JR, ”Mesin-mesin Listrik”, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1990. [4] Theraja BL. Ak, “A Text Book of Electrical Technology”, Publication Division Nirja Construction And Development Co. Ltd, New Delhi, 1993. [5] Wijaya, Mochtar, “Dasar-dasar mesin listrik”, penerbit Djamban, jakarta, 2001 [6] Sen S. K, “Rotating Electrical Machinery”, Khana Publisher, New Delhi, 197 [7] http://lontar.ui.ac.id/file?file=digital/2028447 3 -S798etode%20perhitungan.pdf
-58-
copyright @ DTE FT USU
