PENGARUH POSISI SIKAT DAN PENAMBAHAN KUTUB BANTU TERHADAP EFISIENSI DAN TORSI MOTOR DC SHUNT Jesayas Sihombing, 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 Penambahan kutub bantu dan pengaturan posisi sikat berpengaruh terhadap kinerja dari motor DC. Dengan mengatur posisi sikat dan menambahkan kutub bantu, maka akan diperoleh efisiensi dan torsi yang lebih baik sehingga motor DC dapat bekerja dengan lebih baik. Pada paper ini akan dibahas pengaruh posisi sikat dan penambahan kutub bantu terhadap efisiensi dan torsi motor dc shunt. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat +300 yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 64,70 %, sedangkan pada motor DC shunt dengan kutub bantu sebesar 65,09 %. Torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat -300 yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 2,88 N-m, sedangkan pada motor DC shunt dengan kutub bantu sebesar 13,23 N-m.
Kata Kunci : motor dc shunt, posisi sikat, penambahan kutub bantu 1. Pendahuluan
2. Motor Arus Searah
Motor arus searah biasanya digunakan terutama untuk melayani beban dengan torsi start yang besar dan memiliki efisiensi yang tinggi. Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisiensi. Untuk memenuhi semuannya ini, maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi.
Motor arus searah 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 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 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 berikut ini[1]:
Disaat motor diberi beban, maka fluksi akan berkurang dan amper-turn medan akan berkurang juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya reaksi jangkar. Reaksi jangkar sangat berpengaruh terhadap kinerja, efisiensi, dan torsi dari motor tersebut. Untuk mengurangi reaksi jangkar ini, ada tiga cara/teknik yang dapat dilakukan yaitu melakukan pergeseran posisi sikat, menambahkan kutub bantu, dan belitan kompensasi. Motor yang diujikan hanya dalam keadaan berbeban saja, sedangkan rugi-rugi sikat pada motor diabaikan. Masalah yang akan dianalisis adalah bagaimana pengaruh posisi sikat dan penambahan kutub bantu terhadap efisiensi dan torsi motor dc shunt.
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) -122-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 perpindahan bidang netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin sehingga setiap ada perubahan besarnya beban yang dipikul, maka jarak perpindahan bidang netralnya pun berpindah[2].
Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi semula maka dipasang kutub bantu (interpole). Kutub bantu ini berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Kutub bantu (interpole) ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor. Kutub bantu akan memperpendek jalannya garis medan magnet. Dengan dipasang kutub bantu maka garis netral akan kembali ke posisi semula dan kedudukan sikat tegak lurus dengan kutub utamanya.
Gaya yang timbul pada konduktor jangkar tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan persamaan 2 berikut ini : Ta = F .r
(2)
Dimana : Ta = torsi jangkar (N-m) r = jari-jari motor (m)
Berdasarkan sumber tegangan penguatnya motor DC dibagi menjadi dua yaitu motor DC penguatan terpisah dan motor DC penguatan sendiri. Salah satu jenis motor DC penguatan sendiri adalah motor DC shunt. Rangkaian ekivalen motor dc shunt dapat dilihat pada Gambar 2.
Prinsip kerja motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar 1.
Gambar 1. Prinsip Kerja Motor DC[1]
Gambar 2. Rangkaian Ekivalen motor dc shunt[3]
Ketika beroperasi, motor dc akan mengalami proses reaksi jangkar yang sangat berpengaruh terhadap kinerja, efisiensi, dan torsi dari motor tersebut. Reaksi jangkar adalah reaksi yang ditimbulkan pada jangkar akibat adanya interaksi antara fluks magnetik di kumparan medan dengan fluks magnetik di kumparan jangkar. Untuk mengurangi reaksi jangkar ini, ada tiga cara/teknik yang dapat dilakukan yaitu melakukan pergeseran posisi sikat, menambahkan kutub bantu, dan belitan kompensasi.
Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt[3]: V =E +I R (2) I = I +I (3) Dimana : Vt = tegangan terminal jangkar motor dc (Volt) Ea = gaya gerak listrik lawan motor dc (volt) Ia = arus kumparan medan seri (Ampere) Ra= tahanan jangkar (Ohm)
Salah satu akibat yang ditimbulkan reaksi jangkar adalah pergeseran atau perpindahan garis netral searah dengan arah putaran motor. Dalam hal ini sikat yang semula segaris dengan garis netral, kini bergeser beberapa derajat dari garis netral. Untuk itu sikat dipindahkan seirama dengan perpindahan bidang netral. Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak
Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere) Motor DC menerima daya masukan berupa energi listrik dan menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh daya masukan ke motor diubah menjadi daya -123-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai berikut[5] :
keluaran yang berguna, selalu ada energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang hilang tersebut ada yang dikonversikan menjadi panas dan ada yang diserap oleh mesin untuk mengatasi gesekan karena adanya bagian yang berputar di dalam mesin. Rugi-rugi daya dalam bentuk panas ini jika nilainya terlalu besar akan dapat menyebabkan kenaikan temperatur motor yang dapat merusak isolasi dan mempercepat berkurangnya umur ekonomis motor sehingga membatasi daya keluaran motor. Dengan demikian selalu ada selisih antara daya masukan dan daya keluaran motor. Ini merupakan rugirugi daya yang terjadi di dalam motor. Dalam persamaan sinyatakan dengan[4] :
η (%) = Dimana :
Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari 2014. Penelitian kasus dilakukan dengan melakukan pergeseran posisi sikat sebesar -300, -200, -100, 00, +100, +200, +300 pada motor dc shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt dengan kutub bantu. Setelah melakukan pengujian, selanjutnya dilakukan analisis untuk menentukan efisiensi dan torsi pada posisi sikat -300, -200, -100, 00, +100, +200, +300 pada motor dc shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt dengan kutub bantu.
(4)
a. Torsi Jangkar Di dalam motor DC, setiap konduktor di bagian permukaan jangkar akan mengalami gaya F pada suatu jarak r yang merupakan jari-jari jangkar. Dengan demikian, masing-masing konduktor menghasilkan suatu torsi yang cenderung untuk memutar jangkar. Jumlah seluruh torsi yang dihasilkan oleh konduktor jangkar dikenal dengan torsi jangkar (Ta).
Adapun perhitungan efisiensi dan torsi menggunakan formulasi sebagai berikut : 1. Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Pin= Vt x IL (Watt) Prugi-rugi = (Ia)2 x Ra + (Ish)2 x Rsh (Watt) Pout = Pin – Prugi-rugi (Watt) x100% Efisiensi (η) =
x I
atau Ta = 9,55 x
N-m
Torsi (Tsh) = 9,55 x
(5)
Pin= Vt x IL (Watt) Prugi-rugi = (Ia)2 x (Ra + RKB) + (Ish)2 x Rsh (Watt) Pout = Pin – Prugi-rugi (Watt) x100% Efisiensi (η) =
Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros untuk melakukan usaha yang berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan Tsh. Torsi poros merupakan torsi yang akan menghasikan daya keluaran motor yang berguna.
(
Torsi (Tsh) = 9,55 x
)
N-m
/
Rangkaian pengujian posisi sikat motor dc shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt dengan kutub bantu dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
atau Tsh = 9,55 x
N-m
2. Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
b. Torsi Poros
Tsh =
= daya keluaran
3. Metode Penelitian
Torsi adalah putaran dari suatu gaya terhadap suatu poros. Ini diukur dengan hasil gaya itu dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut bekerja.
Ta = 0,159 x
(7)
P = daya masukan P
∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran
Torsi = F x r (N-m)
x100%
(
)
N-m
(6)
-124-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014 4. Analisis Data Dari pengujian yang dilakukan maka diperoleh data-data pada Tabel 1 dan Tabel 2. Vt = 50 Volt Rsh = 1250 Ω Ra = 3,8 Ω RKB = 2,3 Ω RL = 100 Ω Tabel 1. Data Pengujian Posisi Sikat Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Posisi Sikat -300 -200 -100 00 +100 +200 +300
IL (A) 9,37 10,6 11,36 8,78 5,67 5,16 4,61
Ia (A) 9,33 10,56 11,32 8,74 5,63 5,12 4,57
Ish (A) 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
n (rpm) 450 450 350 550 550 550 550
Tabel 2. Data Pengujian Posisi Sikat Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Posisi Sikat -300 -200 -100 00 +100 +200 +300
Gambar 3. Rangkaian Pengujian Posisi Sikat Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu
IL (A) 8,07 8,02 7,44 5,95 4,82 4,36 3,93
Ia (A) 8,03 7.98 7,40 5,91 4,78 4,32 3,89
Ish (A) 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
n (rpm) 85 115 150 240 240 450 450
Berdasarkan data-data yang diperoleh dari hasil pengujian diatas, maka dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi dan torsi yang dihasilkan motor DC shunt tanpa kutub bantu dan motor DC shunt dengan kutub bantu sebagai berikut : a. Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Posisi Sikat -30 Pin = Vt x IL = 50 x 9,37 = 468,5 Watt Prugi-rugi = (Ia)2 x Ra + (Ish)2 x Rsh = (9,33)2 x 3,8 + (0,04)2 x 1250 = 330,78 + 2 = 332,78 Watt Pout = Pin – Prugi-rugi = 468,5 – 332,78 = 135,72 Watt x100% η=
Gambar 4. Rangkaian Pengujian Posisi Sikat Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu -125-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
=
, ,
x100%
VOL. 8 NO. 3/September 2014 Tabel 4. Perbandingan Torsi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Dengan Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
= 28,96 %
Tsh = 9,55 x = 9,55 x
,
Torsi (N-m) Tanpa Kutub Dengan Kutub Bantu Bantu 2,88 13,23 2,21 9,36 2,08 8,21 2,54 4,51 2,79 4,40 2,71 2,84 2,58 2,71
Posisi Sikat
-300 -200 -100 00 +100 +200 +300
= 2,88 N-m b. Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Posisi Sikat -30 Pin = Vt x IL = 50 x 8,07 = 403,5 Watt Prugi-rugi = (Ia)2 (Ra + RKB) + (Ish)2 x Rsh = (8,03)2 (3,8 + 0,6) + (0,04)2 x 1250 = 283,71 + 2 = 285,71 Watt Pout = Pin – Prugi-rugi = 403,5 – 285,71 = 117,79 Watt η= x100%
Dari Tabel 3 dan Tabel 4 maka akan didapat grafik perbandingan efisiensi dan torsi motor dc shunt tanpa kutub bantu vs motor dc shunt dengan kutub bantu yang ditunjukkan oleh Gambar 5 dan Gambar 6. 70
,
x100% = , = 29,19 % Tsh = 9,55 x
60
Efisiensi (%)
,
= 9,55 x = 13,23 N-m Dengan melakukan cara perhitungan yang sama untuk posisi sikat -200, -100, 00, +100, +200, dan +300, maka diperoleh perbandingan efisiensi dan torsi yang dihasilkan motor dc shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt dengan kutub bantu seperti pada Tabel 3 danTabel 4.
-300 -200 -100 00 +100 +200 +300
40 30 20 10 0
-40
-20
0
20
40
Posisi Sikat (Derajat) Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu
Tabel 3. Perbandingan Efisiensi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Dengan Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Posisi Sikat
50
Gambar 5. Grafik Perbandingan Efisiensi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu vs Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
Efisiensi (%) Tanpa Kutub Dengan Kutub Bantu Bantu 28,96 29,19 19,66 29,62 13,46 34,69 33,42 47,67 56,81 57,45 60,61 61,41 64,70 65,09
-126-
copyright @ DTE FT USU
VOL. 8 NO. 3/September 2014
14 12 10 8 6 4 2 0
[3] Siahaan, Ramcheys. 2012. Studi Pengaruh Perubahan Posisi Sikat Terhadap Efisiensi Motor DC Shunt. Medan: Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Torsi (N-m)
SINGUDA ENSIKOM
-40
-20
[4] Metha, V.K, dan Rohit Mehta. 2002. Principles of Electrical Machines. New Delhi: S. Chand & Company Ltd. 0
20
40
[5] Theraja, B.L. 1989. A Text Book of Electrical Technology. New Delhi: Nurja Construction & Development.
Posisi Sikat (Derajat) Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
Gambar 6. Grafik Perbandingan Torsi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu vs Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
5. Kesimpulan Dari pembahasan yang telah dibuat, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada masing-masing motor DC yang diuji, efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat +300 yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 64,70 %, sedangkan pada motor DC dengan kutub bantu sebesar 65,09 %. 2. Pada masing-masing motor DC yang diuji, torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat -300 yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 2,88 N-m, sedangkan pada motor DC dengan kutub bantu sebesar 13,23 N-m. 3. Dari hasil analisa dapat dilihat bahwa ada peningkatan nilai efisiensi dan torsi setelah ditambahkan kutub bantu.
6. Daftar Pustaka [1] Purba, Richard N. 2010. Analisa Perbandingan Pengaruh Tahanan Pengereman Dinamis Terhadap Waktu Antara Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang Dengan Penguatan Kompon Pendek. Medan: Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. [2] Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar-Dasar Mesin Listrik. Djambatan. Jakarta. -127-
copyright @ DTE FT USU
