SidangTugas Akhir Bidang Studi : Desain
Studi Pengaruh Diameter Kawat dan Susunan Kumparan Terhadap Voltase Bangkitan pada mekanisme Pemanen Energi Getaran Disusun oleh : Prisca Permatasari NRP. 2105 100 066
Dosen Pembimbing : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010
Latar Belakang Masalah Kebutuhan Energi meningkat
Keterbatasan sumber Energi
Sumber alternatif baru, yakni pemanen energi dari mesin – mesin yang mengalami getaran.
Getaran mengalami gaya eksitasi yang dapat dikonversi ke energi listrik
1
Perumusan masalah Bagaimana Pengaruh diameter Kumparan dan susunannya ( seri atau Pararel ) terhadap Energi Listrik Bangkitan
Bagaimana perbandingan antara data Energi listrik yang dibangkitkan secara Aktual dengan hasil perhitungan
2
Batasan Masalah •
Dalam penulisan tugas akhir ini penulis melakukan beberapa batasan masalah :
•
Frekuensi dan amplitudo pola gerak mekanisme dianggap harmonik dengan frekuensi konstan. Perubahan temperatur akibat gesekan magnet dengan dinding bagian dalam tabung diabaikan. Gerakan osilasi magnet terhadap koil hanya kearah vertikal. Alat pengukuran arus listrik yang dibangkitkan menggunakan digital osciloscope dalam keadaan normal. Jumlah lilitan kawat kumparan sebanyak 3000 lilitan Variabel ukur yang digunakan dalam perbandingan perubahan arus listrik yang dibangkitkan terhadap waktu secara aktual dengan hasil perhitungan adalah ω. Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik dengan roda pendorong
• •
• • •
• 3
Tujuan Tugas Akhir Menentukan susunan dan diameter kawat kumparan yang efektif untuk voltase bangkitan dari pengujian Mekanisme Pemanen Energi Getaran dan perhitungan voltase bangkitan secara teori. • Menganalisa perbandingan antara voltase yang terukur pada pengujian Mekanisme Pemanen Energi Getaran dengan hasil perhitungan voltase bangkitan secara teori.
4
Manfaat Tugas Akhir Mengetahui susunan dan Diameter kawat kumparan yang efektif pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran sehingga dapat menghasilkan energi listrik bangkitan yang lebih efektif.
Mengetahui perbandingan antara voltase yang terukur pada pengujian mekanisme pemanen energi getaran dengan hasil perhitungan voltase bangkitan secara teori.
Hasil tugas akhir ini bisa menjadi dasar pengembangan pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran dengan prinsip induksi magnet. 5
Kajian Pustaka Teori mekanika getaran
K
C
K
m m F (t)
mx kx 0
6
mx cx kx f (t )
Kajian pustaka Teori Elektromagnetik Induksi Magnet
Jika displacement (posisi) sebuah massa magnetik berubah dengan waktu dan massa tersebut bergerak didalam suatu kumparan, pada ujung-ujung kumparan timbul beda potensial yang menyebabkan timbulnya arus listrik pada kumparan.
7
Gambar magnet melalui sebuah kumparan
Kajian Pustaka Teori Elektromagnetik Hukum faraday : magnet X(t)
kumparan
e N
d d dt dt
e N
ind B v 8
d B. A dt
e N .B. A. f
Kajian Pustaka Rangkaian selenoid l
.P N
Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid
Pada gambar tersebut dapat mencari besar medan magnet pada titik P sebesar :
B
9
0 IN L
Kajian Pustaka Konduktivitas dan tahanan listrik; Hukum Ohm •
hukum Ohm, yang menyatakan bahwa “untuk suatu konduktor logam pada suhu konstan, perbandingan antara perbedaan potensial ΔV antara dua titik dari konduktor dengan arus listrik I yang melalui konduktor tersebut adalah konstan.”
•
Jadi hukum Ohm bisa dinyatakan sebagai :
V V R atau I I R
10
Kajian Pustaka Teori Elektrik 1.
Rangkaian seri Arus yang melalui satu komponen dengan komponen lainnya adalah sama.
R1
R2
RN
Nilai tahanan peganti untuk hubungan seri
RP R1 R2 ... RN 11
Kajian Pustaka 2.
Rangkaian Paralel Rangkaian paralel adalah dua komponen atau lebih dihubungkan secara paralel. Tegangan antara masing-masing komponen adalah sama. Hubungan paralel berfungsi membagi arus.
R1
R2
RN
Nilai tahanan peganti untuk hubungan paralel 1 1 1 1 ... R p R1 R2 RN
12
•
Diagram alir tugas akhir secara general Start
Studi Literatur Penentuan Metode Pembangkitan Energi
Pemodelan Matematis
Perencanaan Pengujian
Perhitungan voltase bangkitan
Pembuatan Mekanisme
Pengujian Mekanisme
B
A Komparasi voltase(V) bangkitan dari pengujian dengan hasil perhitungan secara teori
tidak
Apakah (V)exp ≈ (V)teo ?
ya Kesimpulan
Pengambilan Data
End
B
13
A
Start
Flowchart Perhitungan Menentukan nilai I , L , μ0 , l , X dan CPM
v = 4X x f
f = CPM / 60 Ni = N1 N1 = 1000 lilitan N2 = 1500 lilitan N3 = 3000 lilitan B
i=i+1
0 IN L
E=B l v
Apakah N =3000 ?
14
End
Diagram Alir Percobaan :
Mulai Persiapan peralatan
Pasang Disk ke motor DC
Sambungkan motor DC ke power suply
Nyalakan Oscilosscope
Pasang mekanisme pembangkit daya
Sambungkan probe Osciloscope ke mekanisme pembangkit daya
15
A
nomor mekanisme pembangkit daya + 1
B
A
B
Nyalakan Power suply 7.5 volt
Ambil Data stroboscope sebanyak 3 kali
Ambil Data stroboscope
Matikan power suply
Mekanisme pembangkit daya nomer 9
Matikan power suply
16 Selesai
Mekanisme pembangkit daya Rangkaian Mekanisme pembangkit Daya PCB ( printed circuit board ) 2 x 25 mm
Pipa kepala
Pipa pembatas 25 x 1 mm Kawat kumparan
Selongsong 16 x 90 mm
17
Rangkaian kumparan pada mekanisme pembangkit daya
Susunan 1
18
Susunan 2
Susunan 3
Berikut adalah jumlah lilitan pada setiap susunan
3000 lilitan
1500 lilitan 1500 lilitan
Susunan 1
19
Susunan 2
1000 lilitan 1000 lilitan
1000 lilitan
Susunan 3
Mekanisme pembangkit daya
Mekanisme pembangkit daya
Penyearah tongkat pendorong
Tongkat pendorong Bearing Disc Motor DC
20
Berikut adalah variasi yang akan dibandingkan :
susunan 1 D 0.10 D 0.12 D 0.14
21
susunan 2
susunan 3
ANALISA DATA Berikut adalah cara pengolahan data yang didapat dari digital osciloscope : y
∑ y²
y²
0
7,6
57,76
0,004
7,4
54,76
0,008
7,2
51,84
............
......
........
............
......
........
rms
22
2 y
2250
avarage
67096,24
67,09624
rms
8,191229
ANALISA DATA 4.1.2.1 Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.10 grafik D 0.1 D 0.10
voltase (Volt)
10 8
susunan 1
6
susunan 2 susunan 3
4
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
D 0.10
susunan 1
2
susunan 2 Susunan
time (s)
3.95
3.65
3.34
3.04
2.74
2.43
2.13
1.82
1.52
1.22
0.91
0.61
0.3
0
0
23
Voltase ( mm )
12
susunan 3
ANALISA DATA Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.12 Grafik D 0.12 D 0.12
12 7 6
8
susunan 1
6
susunan 2
4
susunan 3
2
5 4
D 0.12
3 2 1
3,952
3,648
3,344
3,04
2,736
time (s)
2,432
2,128
1,824
1,52
1,216
0,912
0,608
0,304
0
0
24
Voltase ( Volt )
Voltase (Volt)
10
0 susunan 1
susunan 2 Susunan
susunan 3
ANALISA DATA Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.14 Grafik D 0.14
8 D 0.14 6
6 5
susunan 1
4
susunan 2
3
susunan 3
2
5 4 3
D 0.14
2 1
1
0 susunan 1
time (s)
3,848
3,552
3,256
2,96
2,664
2,368
2,072
1,776
1,48
1,184
0,888
0,592
0,296
0
0
25
Voltase ( Volt )
Voltase (Volt)
7
susunan 2 Susunan
susunan 3
ANALISA DATA
Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap voltase yang dibangkitkan untuk susunan 1 grafik susunan 1 susunan 1 12
8
D 0.10
6
D 0.12 D 0.14
4
2
time (s)
26
3,976
3,692
3,408
3,124
2,84
2,556
2,272
1,988
1,704
1,42
1,136
0,852
0,568
0,284
0
0
Voltase ( Volt )
Voltase (Volt)
10
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
susunan 1
D 0.10
D 0.12 Diameter ( mm )
D 0.14
ANALISA DATA Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap voltase yang dibangkitkan untuk susunan 2 grafik susunan 2 susunan 2 7
7
6
6
5
D 0.10
4
D 0.12
3
D 0.14
5 4
susunan 2
3 2
2
1
1
0 D 0.10
time (s)
3,864
3,588
3,312
3,036
2,76
2,484
2,208
1,932
1,656
1,38
1,104
0,828
0,552
0,276
0
0
27
Voltase ( Volt )
Voltase (volt)
8
D 0.12 Diameter ( mm )
D 0.14
ANALISA DATA Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap voltase yang dibangkitkan untuk susunan 3 Grafik susunan 3 susunan 3
3.5 2.5
2.5 D 0.10
2
D 0.12
1.5
D 0.14
1
Voltase ( Volt )
Voltase (volt)
3
2 1.5 susunan 3 1 0.5 0 D 0.10
D 0.12 Diameter ( mm )
0.5
time (s)
28
3.98
3.69
3.41
3.12
2.84
2.56
2.27
1.99
1.7
1.42
1.14
0.85
0.57
0.28
0
0
D 0.14
ANALISA DATA Berikut adalah komparasi voltase bangkitan pada mekanisme pemanen energi getaran dalam variasi diameter kawat kumparan dan susunannya.
Voltase ( Volt )
Voltase 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
D 0.10 D 0.12 D 0.14
susunan 1
susunan 2
susunan 3
Susunan
susunan 1
29
susunan 2
susunan 3
D 0.10
8.06
6.05
2.01
D 0.12
6.55
5.26
1.24
D 0.14
5.11
4.44
0.046
ANALISA DATA Perhitungan Teoritis Contoh perhitungan kelajuan magnet
•
Dari putaran motor dalam pengujian didapatkan nilai CPM sebesar 885 rad/min dengan menggunakan stroboscope. Dari data ini kita bisa mencari kelajuan magnet dengan persamaan :
v f 2X Dimana : X = 10mm ,dan f = CPM/60 = 14,75 Sehingga : v = 14,75/s x 40 mm = 0,59 m/s
30
ANALISA DATA Perhitungan Teoritis Contoh perhitungan nilai kuat medan magnet Misalkan untuk mekanisme pembangkit daya dengan diameter kumparan 0.10 mm pada susunan 1, yakni jumlah lilitan adalah 3000 Diketahui : L N I μ0
= 14 mm = 3000 lilitan = 3.4 Ampere = 12,56 x 10-7 Wb/A.m
dari persamaan selenoida dapat kita ketahui nilai kuat medan magnet sebagai berikut :
B
0 IN L
B = 12,56x10-7 Wb/A.m 3.4 A 3000 / 0.014 m = 0.915 wb/m²
31
ANALISA DATA Contoh perhitungan voltase bangkitan Untuk menghitung voltase bangkitan digunakan persamaan dari hukum faraday yang dapat dinyatakan sebagai :
ind B L ε ind = 0,915 Wb/m² 150.72 m 0,59/s ε ind = 81.37 Volt D (0.10) D (0.12) D (0.14)
D (0.10) D (0.12) D (0.14)
32
D (0.10) D (0.12) D (0.14)
susunan 1 B 0,915085714 0,880097143 0,850491429 susunan 2 B 0,081012 0,069977143 0,064594286 susunan 3 B 0,053828571 0,043062857 0,02512
ℓ 150,72 150,72
V 0,59 0,59
E 81,37381 78,26246
150,72
0,59
75,62978
ℓ 75,36 75,36 75,36
V 0,59 0,59 0,59
E 3,601988 3,111352 2,872017
E total 7,203976 6,222703 5,744034
ℓ 50,24 50,24 50,24
V 0,59 0,59 0,59
E 1,595565 1,276452 0,744597
E total 4,786695 3,829356 2,233791
ANALISA DATA Perhitungan Teoritis
susunan 1
susunan 2
susunan 3
D 0.10
81,37
7,203975898
4,786694949
D 0.12
78,26
6,222703433
3,829355959
D 0.14
75,62
5,744033938
2,233790976
33
ANALISA DATA Berikut adalah perbandingan voltase bangkitan pada mekanisme pemanen energi getaran dalam pengujian dan perhitungan teoritisnya
Diameter kawat susunan kumparan 0.10 mm
0.12 mm
0.14 mm
1 2 3 1 2 3 1 2 3
Pengujian Teori voltase Voltase (volt) 8.06 81.37 6.55 7.20 5.11 4.78 6.05 78.26 5.27 6.22 4.44 3.82 2.01 75.62 1.25 5.74 0.047 2.23
33
Kesimpulan 1. Secara teori dan pengujian susunan kumparan yang memiliki daya terbesar adalah pada susunan 1. Hal ini disebabkan karena jumlah lilitan pada susunan satu tidak terbagi ( seri ). Sehingga sesuai dengan perumusan kuat medan magnet dan hukum faraday yakni, semakin banyak jumlah lilitan., maka semakin besar pula voltase bangkitan yang dihasilkan.
2. Dalam percobaan bahwa semakin besar diameter kawat kumparan maka akan semakin rendah daya listrik yang dibangkitkan pada mekanisme. Dalam hal ini adalah pada diameter kumparan sebesar 0.01 mm 3. Pada susunan 1, memiliki pola range yang terbesar. Dibandingkan dengan pola range pada susunan 2 dan susunan 3.
4. Voltase bangkitan yang didapat pada perhitungan memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan voltase bangkitan yang didapat pada pengujian, hal ini diakibatkan karena pada pengujian terdapat kerugian – kerugian yang diakibatkan oleh hambatan pada kumparan dan induktornya.
34
Kesimpulan Saran yang diberikan pada tugas akhir ini, demi tersempurnanya penelitian selanjutnya, diantaranya : 1. Pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat mengetahui besarnya arus listrik dari mekanisme yang sama dengan menggunakan alat ukur yang lebih teliti dibandingkan dengan multimeter. 2. Pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat mengetahui lebih lanjut tentang susunan dan ukuran diameter kawat kumparan pada mekanisme yang lebih efisien untuk mendapatkan daya listrik yang lebih besar.
35
Mohon maaf apabila ada kesalahan TERIMA KASIH
36
susunan 1 μ
i
N
ℓ
B
D (0.10)
0,000001256
3,4
3000
0,014
0,915086
D (0.12)
0,000001256
3,27
3000
0,014
0,880097
D (0.14)
0,000001256
3,16
3000
0,014
0,850491
μ
i
N
ℓ
B
B total
D (0.10)
0,000001256
3,01
1500
0,07
0,081012
0,162024
D (0.12)
0,000001256
2,6
1500
0,07
0,069977
0,139954
D (0.14)
0,000001256
2,4
1500
0,07
0,064594
0,129189
μ
i
N
ℓ
B
B
D (0.10)
0,000001256
1,5
1000
0,035
0,053829
0,107657
D (0.12)
0,000001256
1,2
1000
0,035
0,043063
0,086126
D (0.14)
0,000001256
0,7
1000
0,035
0,02512
0,05024
susunan 2
susunan 3
B.1 Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada diameter 0.10
Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada diameter 0.10
Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada diameter 0.10
Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada diameter 0.12
Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada diameter 0.12
Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada diameter 0.12
Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada diameter 0.14
Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada diameter 0.14
Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada diameter 0.14
Kajian Pustaka Rangkaian selenoid
Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid
β₁≈∏ dan β₂≈0, maka akan menghasilkan IN dB 0 ( sin d ) 2L Dapat diintegralkan menjadi IN B 0 L
9
