ANALISIS PERHITUNGAN PANAS PADA MOTOR DC PENGUATAN SHUNT AKIBAT KERJA TERUS MENERUS ( CONTINUOUS DUTY ) MULAI PADA SAAT START SAMPAI PENGEREMAN

ANALISIS PERHITUNGAN PANAS PADA MOTOR DC PENGUATAN SHUNT AKIBAT KERJA TERUS MENERUS ( CONTINUOUS DUTY ) MULAI PADA SAAT START SAMPAI PENGEREMAN ( Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )

Oleh

MARTUA SITOMPUL 060402002

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan rahmat dan karunianya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang merupakan persyaratan untuk menyelesaikan studi di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU. Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis mengambil judul : ”ANALISIS PERHITUNGAN PANAS PADA MOTOR DC PENGUATAN SHUNT AKIBAT KERJA TERUS MENERUS (CONTINUOUS DUTY) MULAI PADA SAAT START SAMPAI PENGEREMAN” ( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU ) Penulis menyadari bahwa tulisan ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada: 1. Kedua orang tua penulis, Lokot Sitompul dan Derlina Lubis serta abang dan kakak penulis (surung, oloan, anggur, ani, dewi, ros, juri) yang tidak pernah berhenti memberi dukungan, semangat dan doanya kepada saya dengan segala pengorbanan dan kasih sayang yang tidak ternilai besarnya. 2. Bapak Prof.Dr.Ir.Usman S Baafai selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU. 3. Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU

i Universitas Sumatera Utara

4. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen, sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis yang sangat besar bantuannya bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 5. Ibu Ir. Windalina Syafiar, selaku Dosen Wali Penulis yang telah banyak membimbing dan membantu selama masa kuliah sampai penyusunan Tugas Akhir ini. 6. Bapak Ir. Satria Ginting sebagai Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU yang telah memberi izin riset di Laboratorium Konversi Energi Listrik. 7. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, Ir. Rachman Hasibuan, Ir. Syarifuddin Siregar, Ir.Surya Tarmizi kasim,Msi, Ir.Masykur Sy dan Ir.Zulkarnaen Pane yang telah membantu penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir penulis. 8. Keluarga besar Laboratorium Konversi Energi Listrik: Abanganda Isroy Tanjung, ST, Muhammad Iqbal, Ferry R.A Bukit, Kribo(faisal), Ahmad Taufiq,bang eko dan M.Ardiansyah serta Seluruh staff

pengajar dan

Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU. 9. Teristimewa kepada Bapak Khaldun M Badra yang tak pernah berhenti untuk mendukung saya baik motivasi dan materi agar bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. 10. Buat Randi, Azhari, Nasir, Toni, Frans, M.Supen, rozi dan seluruh temanteman saya di Departemen Teknik Elektro Stambuk 2006 yang tidak dapat di sebutkan satu persatu. 11. Seluruh mahasiswa Teknik Elektro USU.

ii Universitas Sumatera Utara

Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih memiliki banyak kekurangan, oleh karena itu saran dan kritik sangat diperlukan dalam mengembangkan isi dari Tugas Akhir ini. Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis pribadi dan juga semua pihak yang membutuhkan.

Medan, Agustus 2010 Penulis

(Martua Sitompul)

iii Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK

Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Pada motor arus searah energi listrik arus searah diubah menjadi energi mekanis. Dalam dunia industri, motor arus searah banyak digunakan sebagai penggerak pompa air, blower, hoist pada crane. Akibat kerja motor yang terus – menerus (continuous) maka akan timbul rugi – rugi panas sehingga terjadi kenaikan suhu yang menyebabkan kerusakan isolasi pada motor. Satu siklus kerja motor terdiri dari keadaan start, keadaan steady state dan keadaan berhenti (pengereman). Untuk itu, akan dilakukan perhitungan rugi – rugi panas selama satu siklus kerja dari motor tersebut.

iv Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR……………………………………………………………i ABSTRAK……………………………………………………………………….iv DAFTAR ISI……………………………………………………………..………v DAFTAR TABEL…………………………………………………………...…xii DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………..xiii BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang…………………………………………………….…..…1 I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan………………………………………..…2 I.3 Batasan Masalah…………………………………………………………2 I.4 Metode Penulisan………………………………………………………..3 I.5 Sistematika penulisan……………………………………………………4 BAB II MOTOR ARUS SEARAH DAN POMPA SENTRIFUGAL II.1 MOTOR ARUS SEARAH.....................................................................6 II.1.1 Umum..............................................................................................6 II.1.2 Konstruksi Motor Arus Searah........................................................6 II.1.3 Prinsip kerja Motor Arus Searah......................................................9 II.1.4 Reaksi Jangkar................................................................................12 II.1.4.1 Pergeseran Sikat (Brush Shifting) ........................................17 II.1.4.2 Penambahan kutub bantu (interpole) ....................................18 II.1.4.3 Belitan Kompensasi (Compensating Windings) ...................19 II.1.5 Jenis-jenis Motor Arus Searah........................................................20 II.1.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas...................................20 II.1.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri.................................21

v Universitas Sumatera Utara

II.1.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri..........................22 II.1.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt.....................23 II.1.6 Torsi dari Motor DC......................................................................24 II.1.6.1 Prinsip Dasar..........................................................................24 II.1.6.2 Torsi jangkar dari Motor DC.................................................25 II.1.6.3 Torsi Poros dari Motor DC....................................................26 II.1.7 Pengaturan Kecepatan Pada Motor Arus Searah ...........................27 II.1.8 Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Shunt.......................29 II.1.8.1 Karakteristik Putaran – Arus Jangkar ( n/ Ia ) ......................30 II.1.8.2 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar ( T/ Ia ) .........................32 II.1.8.3 Karakteristik Torsi – Putaran ( T/n ) ...................................32 II.2 POMPA SENTRIFUGAL....................................................................34 II.2.1 Umum.............................................................................................34 II.2.2 Bagian – Bagian Utama pada Pompa Sentrifugal..........................34 II.2.3 Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal....................................................36 II.2.4 Klasifikasi Pompa Sentrifugal........................................................37 II.2.5 Head Pompa Sentrifugal................................................................38 II.2.5.1 Head Tekanan .........................................................................40 II.2.5.2 Head Kecepatan ......................................................................41 II.2.5.3 Head Statis Total.....................................................................41 II.2.5.4 Kerugian Head (Head Losses) ...............................................42 II.2.5.4.1 Mayor head loss (mayor losses) .................................42 II.2.5.4.2 Minor head loss (minor losses) ..................................44 II.2.5.4.3 Total Losses.................................................................45

vi Universitas Sumatera Utara

II.2.6 Kecepatan Spesifik.........................................................................45 II.2.7 Daya Pompa Sentrifugal................................................................46 II.2.8 Torsi Pompa Sentrifugal................................................................47 BAB III PERHITUNGAN PANAS PADA MOTOR DC PENGUATAN SHUNTAKIBAT KERJA TERUS MENERUS (CONTINUOUS DUTY)

MULAI

PADA

SAAT

START

SAMPAI

PENGEREMAN III.1 Kelas – kelas kerja dari suatu motor................................................ ...48 III.2 Metode menentukan nilai momen inersia (J) ......................................50 III.2.1 Metode Retardasi Dalam Menentukan Momen Inersia Motor DC (JM) ................................................................................50 III.2.1.1 Prinsip Dasar.........................................................................50 III.2.1.2 Metode Pengukuran Momen Inersia Pada Jangkar (J) ........52 III.2.2 Menentukan Momen Inersia Kopling (JK) .....................................53 III.2.3 Menentukan Momen Inersia Pompa Sentrifugal (JP) .....................53 III.3 Rugi – Rugi Motor Arus Searah Penguatan Shunt...............................54 III.3.1 Umum.............................................................................................54 III.3.2 Jenis Rugi – Rugi Di Dalam Motor Arus Searah............................55 III.3.2.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper losses) ...................................55 III.3.2.2 Rugi-Rugi Inti (core or iron losses) ....................................55 III.3.2.3 Rugi-Rugi Mekanis (mechanical losses) ..............................58 III.3.2.4 Rugi – rugi sikat (brush losses) ............................................58 III.3.2.5 Rugi-Rugi Beban Stray (stray load load losses) ..................59

vii Universitas Sumatera Utara

III.4 Metode Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Continuous Duty Pada Saat start..........................................................60 III.4.1 Prinsip Dasar.................................................................................60 III.4.2 Waktu Percepatan Pada Saat Start................................................61 III.4.3 Hubungan Energi (W) Selama Start..............................................62 III.5 Metode Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Continuous Duty Pada Saat Keadaan Steady State..............................66 III.6 Metode Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Continuous Duty Pada Saat Pengereman. ...........................................67 III.6.1 Prinsip Dasar...................................................................................67 III.6.2 Hubungan Energi (W) Selama pengereman..................................69 BAB IV ANALISIS PERHITUNGAN PANAS PADA MOTOR DC PENGUATAN SHUNT AKIBAT KERJA TERUS MENERUS (CONTINUOUS DUTY) MULAI PADA SAAT START SAMPAI PENGEREMAN IV.1 Pengujian Motor DC Shunt dengan Metode Retardasi dan Pengukuran Tahanan Belitan Motor......................................................................72 IV.1.1 Umum............................................................................................72 IV.1.2 Spesifikasi Motor...........................................................................72 IV.1.3 Peralatan pengujian........................................................................72 IV.1.4 Prosedur Percobaan........................................................................73 IV.1.4.1 Uji Retardasi dengan Rotor Sendiri tanpa Eksitasi. .............74 IV.1.4.2 Uji Retardasi dengan Roda Pejal tanpa Eksitasi. .................75 IV.1.4.3 Uji Retardasi dengan Rotor Sendiri Eksitasi Penuh.............76

viii Universitas Sumatera Utara

IV.1.4.4 Uji Retardasi dengan Roda Pejal Eksitasi Penuh..................76 IV.1.4.5 Pengukuran Tahanan Jangkar Motor....................................77 IV.1.4.6 Pengukuran Tahanan Medan Shunt Motor...........................78 IV.1.5 Data Hasil Pengujian......................................................................78 IV.1.6 Analisa Data Pengujian..................................................................80 IV.1.6.1 Perhitungan Momen Inersia Motor DC Shunt......................80 IV.1.6.2 Perhitungan Rugi – Rugi Rotasi Motor DC Shunt................81 IV.2 Perhitungan Momen Inersia Kopling...................................................82 IV.3 Perhitungan Momen Inersia Pompa Sentrifugal..................................82 IV.4 Metode Perencanaan Instalasi Pompa..................................................83 IV.4.1 Umum.............................................................................................83 IV.4.2 Skema Instalasi Pompa yang Direncanakan..................................84 IV.4. Penentuan kapasitas..........................................................................88 IV.4.4 Penentuan Head Pompa pada Instalasi...........................................88 IV.4.4.1 Perbedaan Head Tekanan (ΔHP) ..........................................89 IV.4.4.2 Perbedaan Head Kecepatan (ΔHV) .......................................89 IV.4.4.3 Perbedaan Head Statis (ΔHS) ...............................................90 IV.4.4.4 Kerugian Head...................................................................90 IV.4.4.4.1 Kerugian Head sepanjang Pipa Isap (hIS) ............90 IV.4.4.4.2 Kerugian Head sepanjang Pipa Tekan (hId) ........94 IV.4.5 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang digunakan.....................................................................................97 IV.4.6 Putaran Spesifik dan Tipe Impeler...............................................97 IV.4.7 Efisiensi Pompa Pada Instalasi Yang Dirancang ........................98

ix Universitas Sumatera Utara

IV.4.7.1 Efisiensi Hidrolis.................................................................99 IV.4.7.2 Efisiensi Volumetris ............................................................100 IV.4.7.3 Efisiensi Mekanis.................................................................101 IV.4.8 Daya Pompa Pada Instalasi Yang Dirancang ..............................102 IV.4.9 Torsi Pompa Pada Instalasi Yang Dirancang ..............................104 IV.4.10 Spesifikasi Pompa yang digunakan pada Instalasi......................104 IV.4.11 Hasil Akhir dari Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal........106 IV.5 Karakteristik Operasi Motor DC Penguatan Shunt dan Pompa Sentrifugal................................................................................................109 IV.5.1 Karakteristik Torsi Vs Putaran Motor DC Penguatan Shunt...... 109 IV.5.1.1 Umum................................................................................109 IV.5.1.2 Spesifikasi Motor...............................................................109 IV.5.1.3 Peralatan Percobaan...........................................................110 IV.5.1.4 Rangkaian Percobaan.........................................................110 IV.5.1.5 Prosedur Percobaan............................................................111 IV.5.1.6 Data Hasil Percobaan.........................................................112 IV.5.1.7 Kurva Karakteristik Torsi Vs Putaran Motor DC Shunt....112 IV.5.2 Karakteristik Torsi Vs Putaran Pompa Sentrifugal..................... 113 IV.5.2.1 Umum................................................................................113 IV.5.2.2 Spesifikasi Motor...............................................................113 IV.5.2.3 Peralatan Percobaan...........................................................113 IV.5.1.4 Rangkaian Percobaan.........................................................113 IV.5.2.5 Prosedur Percobaan............................................................114 IV.5.2.6 Data Hasil Percobaan.........................................................115 IV.5.2.7 Kurva Karakteristik Torsi Vs Putaran Pompa Sentrifugal..117 x Universitas Sumatera Utara

IV.5.2 Kurva Karakteristik Operasi Motor DC Shunt Dengan Pompa Sentrifugal....................................................................................118 IV.6 Analisis Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Kerja Terus Menerus (Continuous Duty) Mulai pada saat Start sampai Pengereman........................................................................................119 IV.6.1 Umum...........................................................................................119 IV.6.2 Spesifikasi Motor DC Shunt Dan Pompa Sentrifugal...................121 IV.6.3 Peralatan Percobaan......................................................................122 IV.6.4 Rangkaian Percobaan....................................................................123 IV.6.5 Prosedur Percobaan.......................................................................124 IV.6.6 Analisa Data Percobaan................................................................125 IV.6.6.1 Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Kerja Terus Menerus (Continuous Duty) pada saat Start .................................................................125 IV.6.6.2 Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Kerja Terus Menerus ( Continuous Duty ) pada keadaan steady sate........................................................................129 IV.6.6.3 Perhitungan Panas Pada Motor DC Penguatan Shunt Akibat Kerja Terus Menerus ( Continuous Duty ) pada keadaan Pengereman...........................................................................................132 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.............................................................135 V.1 Kesimpulan..........................................................................................135 V.2 Saran....................................................................................................136 DAFTAR PUSTAKA DAN LAMPIRAN

xi Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Klasifikasi impeler menurut putaran spesifik.......................................46 Tabel 4.1 Uji Retardasi dengan Rotor Sendiri tanpa Eksitasi...............................78 Tabel 4.2 Uji Retardasi dengan Roda Pejal tanpa Eksitasi...................................78 Tabel 4.4 Uji Retardasi dengan Roda Pejal Eksitasi penuh.................................79 Tabel 4.3 Uji Retardasi dengan Rotor sendiri Eksitasi penuh..............................79 Tabel 4.5 Pengukuran Tahanan Jangkar Motor.....................................................79 Tabel 4.6 Pengukuran Tahanan Medan Shunt Motor............................................79 Tabel 4.7 Kekasaran relative (  ) dalam berbagai bahan pipa..............................91 Tabel 4.8 Nilai Koefisien K untuk tipe Screwed...................................................93 Tabel 4.9 Perhitungan diameter elbow dengan Koefisien Kerugian ( k ) pada pipa isap........................................................................................93 Tabel 4.10 Perhitungan nilai koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa isap....94 Tabel 4.11 Perhitungan diameter elbow dengan Koefisien Kerugian ( k ) pada pipa tekan...................................................................................95 Tabel 4.12 Perhitungan nilai koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa tekan...................................................................................................95 Tabel 4.13 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis...........99 Tabel 4.14 Perhitungan kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis.................100 Tabel 4.15 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi volumetris....101 Tabel 4.16 Hasil Pengujian Karakteristik Torsi Vs Putaran Motor DC Shunt....112 Tabel 4.17 Hasil Pengujian Karakteristik Torsi Vs Putaran Pompa Sentrifugal.........................................................................................115

xii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator........................................6 Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor.........................................7 Gambar 2.3 Pengaruh penempatan konduktor pengalir arus dalam medan magnet....................................................................................9 Gambar 2.4 Prinsip kerja motor arus searah.........................................................11 Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan..................................13 Gambar 2.6 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar................................14 Gambar 2.7 Hasil kombinasi antara fluksi medan dan fluksi jangkar..................14 Gambar 2.8 Kurva pemagnetan saat terjadi reaksi jangkar..................................16 Gambar 2.9 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral..............................18 Gambar 2.10 Motor DC yang dilengkapi dengan kutub bantu.............................19 Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas.................20 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri...................22 Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt................23 Gambar 2.14 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya.............24 Gambar 2.15 Karakteristik Putaran – Arus Jangkar Pada Motor DC Shunt........31 Gambar 2.16 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar Pada Motor DC Shunt............32 Gambar 2.17 Karakteristik Torsi – Putaran Pada Motor DC Shunt.....................33 Gambar 2.18 Pompa sentrifugal...........................................................................34 Gambar 2.19 Gambar jenis – jenis Impeler..........................................................36 Gambar 2.20 Prinsip kerja dari pompa sentrifugal...............................................37 Gambar 2.21 Skema Instalasi Pompa...................................................................39 Gambar 2.22 Jenis – jenis aliran dalam Pipa........................................................44 Gambar 3.1 Diagram Aliran Daya pada Motor Arus Searah..............................54 Gambar 3.2 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub................................56 Gambar 3.3 (a) Arus pusar di dalam inti jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi.......................57 Gambar 3.4 Start Motor Arus Searah penguatan Shunt secara langsung.............61 Gambar 3.5 Rangkaian Pengereman Dinamik.....................................................67 Gambar 4.1 Roda Pejal.........................................................................................73 Gambar 4.2 Rangkaian Kontrol............................................................................74 xiii Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.3Rangkaian percobaan uji retardasi dengan rotor sendiri tanpa eksitasi............................................................................................74 Gambar 4.4 Rangkaian percobaan uji retardasi dengan roda pejal tanpa eksitasi.....................................................................................75 Gambar 4.5 Rangkaian percobaan uji retardasi dengan rotor sendiri eksitasi penuh...................................................................................76 Gambar 4.6 Rangkaian percobaan uji retardasi dengan roda pejal eksitasi penuh...................................................................................76 Gambar 4.7 Rangkaian percobaan pengukuran tahanan jangkar.........................77 Gambar 4.8 Rangkaian percobaan pengukuran tahanan medan shunt.................78 Gambar 4.9 Skema Perencanaan Instalasi Pompa................................................86 Gambar 4.10 Dimensi skema perencanaan instalasi pompa.................................87 Gambar 4.11 Pompa Sentrifugal........................................................................105 Gambar 4.12 Instalasi Akhir Motor DC Shunt dengan Pompa Sentrifugal.......106 Gambar 4.13 Tampak Depan Instalasi Motor DC Shunt dengan Pompa Sentrifugal........................................................................106 Gambar 4.14 Tampak Samping Kanan Instalasi Motor DC Shunt dengan Pompa Sentrifugal........................................................................107 Gambar 4.15 Tampak Samping Kiri Instalasi Motor DC Shunt dengan Pompa Sentrifugal........................................................................107 Gambar 4.16 Tangki Atas (Roof Tank)..............................................................108 Gambar 4.17 Tangki Bawah (Ground Tank)......................................................108 Gambar 4.18 Rangkaian Percobaan Karakteristik Torsi Vs Putaran Motor DC Shunt............................................................................................110 Gambar 4.19 Kurva karaktersitik Torsi Vs Putaran Motor DC Shunt...............112 Gambar 4.20 Kurva karaktersitik Torsi Vs Putaran Pompa Sentrifugal............117 Gambar 4.21 Kurva karaktersitik operasi Motor DC Shunt dan Pompa Sentrifugal....................................................................................118 Gambar 4.22 Proses Kerja Motor DC shunt dan Pompa Sentrifugal................119 Gambar 4.23 Stopwatch....................................................................................122 Gambar 4.24 Meteran........................................................................................123 Gambar 4.25 Rangkaian Percobaan Perhitungan Panas Pada Motor DC

xiv Universitas Sumatera Utara

Penguatan Shunt Akibat Kerja Terus Menerus (Continuous Duty) Mulai pada saat Start sampai Pengereman..................................123

xv Universitas Sumatera Utara