PENGARUH PENAMBAHAN KUTUB BANTU PADA MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SERI DAN SHUNT UNTUK MEMPERKECIL RUGI-RUGI (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Al Magrizi Fahni, 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 Penggunaan motor DC akhir-akhir ini mengalami perkembangan, khususnya dalam pemakaiannya sebagai motor penggerak. Terutama untuk menggerakkan beban yang berat dan bervarisasi. Oleh sebab itu, diharapkan motor DC dapat bekerja secara efisien. Pada saat motor DC dibebani, akan mengalir arus jangkar yang mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Arus jangkar yang terlalu besar akan mengakibat timbulnya rugi-rugi daya pada motor DC, salah satu cara untuk memperkecil rugirugi daya pada motor DC adalah dengan penambahan kutub bantu pada motor DC. Tulisan ini menganalisis pengaruh penambahan kutub bantu pada motor DC penguatan seri dan shunt untuk memperkecil rugi-rugi dengan menentukan nilai RL 50 ohm sampai 100 ohm dan Vt dijaga konstan 65 votl. Dari hasil pengujian, motor DC penguatan seri dan shunt dengan nilai RL tertinggi 100 ohm memiliki daya masukan 308,10 watt dan 228,150 watt, daya keluaran 57,954 watt dan 55,065watt, rugi-rugi total 250,146 watt dan 173,085 watt, dan pada saat nila RL terendah 50 ohm memiliki daya masukan 360,750 watt dan 272,350 watt, daya keluaran 57,260 watt dan 69,291 watt, rugi-rugi total 303,490 watt dan 203,059 watt.
Kata Kunci: motor DC, rugi-rugi 1. Pendahuluan
2. Rugi-Rugi Pada Motor Arus Searah Penguatan Seri Dan Shunt
Motor arus searah sering digunakan pada starter mobil, elevator, conveyer, dan sebagainya. Karena penggunaannya yang cukup luas maka kinerja motor arus searah harus baik. Pada motor arus searah, penambahan kutub bantu dalam mengantisipasi reaksi jangkar ternyata mempengaruhi rugi-ruginya. Maka dengan melakukan penambahan kutub bantu pada motor arus searah akan dapat meningkatkan performansinya, sehingga dapat kerja lebih baik. Penelitian ini difokuskan pada penambahan kutub bantu deanagan kondisi tanpa beban dan berbeban dengan melakukan penambahan kutub bantu untuk menentukan besar rug-rugi motor. Analisis perhitungan yang dilakukan pada pengujian motor seri dan shunt dalam keadaan tanpa beban dan berbeban berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik.
Motor arus searah (DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran. Berdasarkan fisiknya motor DC secara umum terdiri atas bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor). Stator merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan rotor merupakan tempat diletakkannya rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat [4]. Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetik. Ketika kumparan medan dan kumparan jangkar dihubungkan dengan suatu sumber tegangan DC maka pada kumparan medan akan mengalir arus medan (If) sehingga menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan jangkar menghasilkan arus jangkar (Ia), sehingga pada konduktor jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar. Jika arus jangkar tegak lurus dengan arah induksi magnetik maka besar gaya yang -68-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah [2] : F=B.i.l (1) Dimana : F = gaya yang bekerja pada konduktor (N) B = kerapatan fluks magnetic (Wb/m2) i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) Gaya yang timbul pada konduktor tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan oleh motor dapat ditentukan dengan persamaan 2. Ta = F . r (2) Dimana : Ta = torsi jangkar (Newton-meter) r = jari-jari rotor (meter) Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka jangkar akan berputar. Prinsip kerja motor DC dapat dilihat pada Gambar 1.
Untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, pada motor DC mengalami kerugian (kehilangan). Kerugian-kerugian ini disebabkan diantaranya oleh adanya pengaruh yang ditimbulkan oleh adanya [4]: a. reaksi jangkar b. inti besi c. gesekkan d. arus yang mengalir pada belitan. . Pada saat dibebani maka pada kumparan stator akan mengalir arus jangkar. Arus ini akan menimbulkan fluksi jangkar yang kan berinteraksi dengan fluksi yang dihasilkan kumparan medan motor. Akibatnya akan terjadi perubahn bentuk gelombang fluksi utama. Pengaruh reaksi jangkar akan menyebabkan terjadinya percikan bunga api pada sikat-sikat motor. Hal ini akan mempengaruhi kinerja motor tersebut. Untuk mengatasi masalah ini, maka salah satu caranya adalah dengan menambahahkan kutub bantu pada motor DC. Penambahan kutub bantu pada motor DC dapat dilihat pada Gambar 4 [1,6].
Gambar 1 Prinsip perputaran motor DC
Gambar 4 Motor DC yang dilengkapi dengan kutub bantu
Berdasarkan sumber tegangan penguatannya, motor DC dapat dibagi menjadi dua, yaitu motor DC penguatan bebas (penguatan luar) dan motor DC penguatan sendiri. Jenis motor DC penguatan sendiri adalah motor DC penguatan seri dan shunt. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan seri dan shunt dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3 [4].
Kerugian-kerugian itu antara lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada belitan, rheostat dan sebagainya. Motor DC dan generator DC mempunyai tipe kerugiankerugian yang sama yaitu sebagai berikut [8]: 1. Rugi-rugi Konstan 2. Rugi-rugi Variabel
Rs + IS
IL
Ia
Vt
1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor arus searah yang nilainya selalu tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Yang termasuk ke dalam kelompok rugirugi konstan adalah : a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin c. Rugi-rugi tembaga medan shunt. 2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor arus searah yang nilainya bervariasi terhadap arus pembebanan.Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi ini adalah :
+ Ea
Ra
-
Gambar 2 Rangkaian ekivalen penguatan seri
motor
DC
+ IL Vt
Ish Rsh
Ia Ra
+ Ea -
-
Gambar 3 Rangkaian ekivalen penguatan shunt
motor
DC
-69-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ia2Ra) b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (Ia2Rse) c. Rugi jatuh tegangan sikat (VbdIa)
Adapun rangkaian percobaan untuk pengujian pengaruh penambahan kutub bantu terhadap rugi-rugi pada motor DC seri dan shunt dapat dilihat pada Gambar 5,6,7,8,9,10,11dan 12.
Sehingga rugi-rugi total di dalam motor arus searah adalah : Σ Rugi – Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel Gambar 5 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi tanpa beban dan tanpa kutub bantu
3. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan pada jam 15.00 sampai dengan 18.00 pada tanggal 20 Februari 2014 di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU. Berdasarkan tujuan dari penelitian ini maka dilakukan langkah - langkah sebagai berikut : a. Pengumpulan data yaitu dengan metode dokumentasi dan observasi. b. Mempersiapkan alat dan bahan untuk penelitian. c. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan memastikan bahwa motor DC seri dan shunt dapat beroperasi dengan penambahan kutub bantu. d. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki validitas yang baik yang harus disetting dengan benar. e. Tahap pengambilan data yang meliputi arus dan putaran. f. Tahap analisis data dengan menggunakan analisis matematis untuk memecahkan masalah dan memperoleh kesimpulan dalam penelitian. Analisis ini adalah mengadakan perhitungan-perhitungan berdasarkan persamaan yang berlaku didalam perhitungan rugi-rugi pada motor DC seri dan shunt. Adapun peralatan yang digunakan pada pengujian ini adalah sebagai berikut :
Gambar 6 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi tanpa beban dengan kutub bantu
Gambar 7 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi berbeban tanpa kutub bantu
1. Satu unit Motor Arus Searah AEG 1,2 kW 2. Satu unit Generator Arus Searah AEG 2 kW 3. Power Supply yang terdiri dari dua unit PTDC 4. Dua unit Tahanan Geser 5. Dua buah Voltmeter 6. Enam buah Amperemeter 7. Satu buah Tachometer 8. Kabel Penghubung secukupnya
Gambar 8 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi berbeban dengan kutub bantu
Gambar 9 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi tanpa beban dan tanpa kutub bantu -70-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 Dari Tabel 1 terlihat rugi-rugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 385,022 watt dan rugi-rugi daya terendah terhadap beban yaitu sebesar 332,930 watt.
Gambar 10 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi tanpa beban dengan kutub bantu
4.2 Hasil Pengujian Motor DC seri Pada Kondisi Dengan Kutub Bantu Tabel 2 Data hasil pengujian motor DC seri pada kondisi dengan kutub bantu Vt = 65 volt If = 0,4 ampere (ohm)
(A)
(rpm)
100 90 80 70 60 50
4,74 4,79 4,90 5,09 5,16 5,55
650 620 550 510 470 440
Gambar 11 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi berbeban tanpa kutub bantu
Pin (W)
Σ RugiRugi (W)
Pout (W)
308,10 311,350 318,50 330,850 335,40 360,750
250,146 253,196 260,018 272,165 276,757 303,490
57,954 58,154 58,482 58,685 58,643 57,260
Dari Tabel 2 terlihat rugi-rugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 303,490 watt dan rugi-rugi daya terendah terhadap beban yaitu sebesar 250,146 watt. 4.3
Tabel 3 Data hasil pengujian motor DC shunt pada kondisi dengan kutub bantu Vt = 65 volt If = 0,4 ampere
Gambar 12 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi berbeban dengan kutub bantu 4. Hasil dan Analisis Pengukuran Tujuan dilakukan pengujian pengaruh penambahan kutub pada tulisan ini untuk memperkecil rugi-rugi yang terjadi pada motor DC akibat penambahan beban. 4.1 Hasil Pengujian Motor DC seri Pada Kondisi Tanpa Kutub Bantu
(ohm)
(A)
(rpm)
100 90 80 70 60 50
6,05 6,10 6,34 6,56 6,77 6,96
1070 1050 1000 960 920 850
393,250 396,50 412,10 426,40 440,050 452,40
Σ RugiRugi (W) 332,930 335,603 348,739 361,226 373,543 385,022
(ohm)
(A)
(A)
(A)
(rpm)
Pin (W)
100 90 80 70 60 50
4,96 5,28 5,38 5,58 5,89 6,30
0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
4,91 5,23 5,33 5,53 5,84 6,25
1000 980 960 940 860 800
322,40 343,20 349,70 362,70 382,85 409,50
Σ RugiRugi (W) 265,973 278,304 282,316 290,570 303,964 316,675
Pout (W) 56,427 64,896 67,384 72,130 78,886 92,825
Dari Tabel 3 terlihat rugi-rugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 316,675 watt dan rugi-rugi daya terendah terhadap beban yaitu sebesar 265,973 watt.
Tabel 1 Data hasil pengujian motor DC seri pada kondisi tanpa kutub bantu. Vt = 65 volt If = 0,4 ampere Pin (W)
Hasil Pengujian Motor DC Shunt Pada Kondisi Tanpa Kutub Bantu
Pout (W)
4.4
60,320 60,897 63,361 65,174 66,507 67,378
Hasil Pengujian Motor DC Shunt Pada Kondisi Dengan Kutub Bantu
Tabel 3 Data hasil pengujian motor DC shunt pada kondisi dengan kutub bantu -71-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014
Vt = 65 volt If = 0,4 ampere (ohm)
(A)
(A)
(A)
(rpm)
100 90 80 70 60 50
3,51 3,84 3,87 3,92 3,98 4,19
0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
3,46 3,79 3,82 3,87 3,93 4,14
690 670 650 630 600 550
Pin (W) 228,150 249,60 251,550 254,80 258,70 272,350
Σ RugiRugi (W) 173,085 186,961 188,285 190,515 193,229 203,059
Pout (W) 55,065 62,639 63,265 64,285 65,471 69,291
Dari Tabel 4 terlihat rugi-rugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 203,059 watt dan rugi-rugi daya terendah terhadap beban yaitu sebesar 173,085watt.
input pada pengujian motor DC penguatan seri dengan kutub bantu lebih kecil yaitu 360,750 watt dibandingkan daya input motor DC penguantan seri tanpa kutub bantu yaitu 452,40 watt.
Gambar 14 Grafik beban dengan rugi-rugi total motor DC penguatan seri Pada Gambar 14 terlihat penurunan rugi-rugi seiring dengan penambahan RL. rugirugi pada pengujian motor DC penguatan seri dengan kutub bantu lebih kecil yaitu 303,490 watt dibandingkan rugi-rugi motor DC penguantan seri tanpa kutub bantu yaitu 385,022 watt.
4.5 Analisis Data Berdasarkan data – data yang diperoleh pada Tabel maka dilakukan perhitungan untuk mendapatkan daya input, rugi-rugi daya, dan daya output pada setiap beban yang diberikan. Daya input, rugi-rugi daya, dan daya output dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : 1. Rugi-rgi tembaga pada motor DC seri Pcu-total = Ia2 ( Ra + Rs ) 2. Rugi-rugi tembaga pada motor DC shunt Pcu-total = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh 3. Daya input Pin = Vt x IL 4. Rugi-rugi konstan Pkonstan = Pin – Pcu-total 5. Rugi-rugi total Σ Rugi-Rugi = Pcu-total + Pkonstan 6. Daya output Pout = Pin – Σ Rugi-Rugi
Gambar 15 Grafik beban daya output motor DC penguatan seri Pada Gambar 14 terlihat penurunan daya output seiring dengan penambahan RL. Daya output pada pengujian motor DC penguatan seri dengan kutub bantu lebih kecil yaitu 57,260 watt dibandingkan daya output motor DC penguantan seri tanpa kutub bantu yaitu 67,378 watt.
Setelah dilakukan perhitungan, maka diperoleh hasil perhitungan daya input, daya output dan rugi-rugi daya dalam keadaan berbeban yang ditunjukkan pada Tabel 1,2,3 dan 4. Berikut hasil pengujian dalam bentuk grafik, dapat dilihat pada Gambar 13,14,15,16,17 dan 18.
Gambar 16 Grafik beban dengan daya input motor DC penguatan shunt Pada Gambar 16 terlihat penurunan daya input seiring dengan penambahan RL. Daya input pada pengujian motor DC penguatan shunt dengan kutub bantu lebih kecil yaitu 272,350 watt dibandingkan daya input motor DC penguantan shunt tanpa kutub bantu yaitu 409,50 watt.
Gambar 13 Grafik beban dengan daya Input motor DC penguatan seri Pada Gambar 13 terlihat penurunan daya input seiring dengan penambahan RL. Daya -72-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 9 NO. 2/November 2014 arus jangkar yang mengalir pada motor tanpa kutub bantu yaitu sebesar 6,96 A dan 6,25 A. 3. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, daya input motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 360,750 W dan 272,350 W dibandingkan daya input motor tanpa kutub bantu yaitu sebesar 452,40 W dan 409,50 W. 4. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, rugirugi total motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 303,490 W dan 203,059 W dibandingkan rugi-rugi total motor tanpa kutub bantu yaitu sebesar 385,022 W dan 316,675 W. 5. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, daya output motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 57,260 W dan 69,291 W dibandingkan daya output motor tanpa kutub bantu yaitu sebesar 67,378 W dan 92,825 W.
Gambar 17 Grafik beban dengan rugi-rugi total motor DC penguatan shunt Pada Gambar 17 terlihat penurunan rugirugi seiring dengan penambahan RL. Rugi-rugi pada pengujian motor DC penguatan shunt dengan kutub bantu lebih kecil yaitu 203,059 watt dibandingkan rugi-rugi motor DC penguantan shunt tanpa kutub bantu yaitu 316,675 watt.
6. Referensi
Gambar 18 Grafik beban daya output motor DC penguatan shunt
[1]. Pada Gambar 18 terlihat penurunan daya output seiring dengan penambahan RL. Daya outptu pada pengujian motor DC penguatan shunt dengan kutub bantu lebih kecil yaitu 69,291 watt dibandingkan daya input motor DC penguantan shunt tanpa kutub bantu yaitu 92,825 watt.
[2].
[3]. [4].
5. Kesimpulan
[5].
Berdasarkan hasil pembahasan, maka dapat dikesimpulan sebagai berikut: 1. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, putaran motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 440 rpm dan 550 rpm dibandingkan putaran motor tanpa kutub bantu yaitu sebesar 850 rpm dan 800 rpm. Arus jangkar yang mengalir pada motor DC yang menggunakan kutub bantu lebih kecil dibandingkan motor DC tanpa kutub bantu. 2. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, arus jangkar yang mengalir pada motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 5,55 A dan 4,14 A dibandingkan
[6]. [7].
[8].
-73-
Lister,Eugene C. 1988. Mesin dan Rangkaian Listrik. Edisi Keenam. Jakarta: Erlangga. Mehta, V.K. dan Rohit Mehta.2002. Principles of Electrical Machines. New Delhi: S. Chand & Company Ltd. Rijono, Yon. 1997. Dasar Teknik Tenaga Listrik. Yogyakarta : Andi. Sumanto.1991. Mesin Arus Searah. Yogyakarta: Andi Offset. Theraja, B.L. dan A.K.Theraja. 1989. A Text Book Of Electrical Technolohgy. New Delh: Nurja Construction & Development. Wijaya, Mochta.2001.Dasar-Dasar Mesin Listrik. Jakarta: Djambatan. Zuhal.2000. DasarTeknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. Hardiansyah, Rizky. 2013. Analisis Perbandingan Pengaruh Posisi Sikat Terhadap Efisiensi Dan Torsi Motor DC Penguatan Kompon Panjang Dengan Motor DC Penguatan Kompon Pendek. Medan : Departermen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
copyright @ DTE FT USU
