Sidang Tugas Akhir Bidang Studi : Desain
STUDI PENGARUH JUMLAH LILITAN DAN PANJANG KUMPARAN TERHADAP VOLTASE DAN ARUS BANGKITAN PADA MEKANISME PEMANEN ENERGI GETARAN Disusun oleh :
DENNY SAPUTRA NRP. 2105 100 057 Dosen Pembimbing : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng.
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010
Latar Belakang •
Getaran sering kali terjadi pada mesin ataupun peralatan – peralatan yang sedang beroperasi, dan getaran ini dapat menimbulkan gaya eksitasi berupa energi kinetik yang berpotensi untuk dikonversi ke dalam bentuk energi lain. Trucks
Wearable Electronics
Automotive Agriculture Industrial Machinery
Energy Source (Vibration) Medical
Trains Cargo Container
Building & Bridges
1
Latar Belakang Mesin – mesin menimbulkan getaran
Getaran menimbulkan gaya eksitasi
Getaran dikonversi kedalam energi listrik
2
Perumusan Masalah
3
1.
Berapa banyak jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif untuk menghasilkan energi listrik bangkitan secara empirik dan perhitungan.
2.
Bagaimana perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan secara aktual dengan hasil perhitungan teoritis.
Batasan Masalah 1. 2. 3. 4. 5. 6.
4
Frekuensi pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran 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. Motor yang digunakan untuk menggerakan Mekanisme Pemanen Energi Getaran adalah motor DC. Tidak terjadi lonjakan antara disk eksentrik dengan roda tangkai pendorong.
Tujuan Tugas Akhir
5
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian pada Tugas Akhir ini, antara lain: 1. Mencari jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif untuk voltase bangkitan yang dihasilkan Mekanisme Pemanen Energi Getaran. 2. Menganalisa perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan secara aktual dengan hasil perhitungan.
Manfaat Tugas Akhir 1.
2. 3.
6
Mengetahui jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran sehingga dapat menghasilkan voltase bangkitan yang lebih efektif. Mengetahui perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan secara aktual dengan hasil perhitungan. Hasil tugas akhir ini bisa menjadi dasar pengembangan pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran dengan prinsip induksi magnet.
Kajian Pustaka
7
Penelitian terdahulu Penelitian yang dilakukan oleh Roundy, difokuskan pada desain dari electrostatic vibration-to-electricity converter. Tiga buah konsep desain dikembangkan, untuk mendapatkan parameter desain yang terbaik. Hasil teoritis telah dibandingkan dengan hasil empirik, yang satu sama lain menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda.
Kajian Pustaka
8
1. Dasar Teori Mekanika Getaran
Model Matematis mekanisme
Menurut model diatas maka persamaan gerak dari respon massa ( m )dapat dinyatakan sebagai : mx cx kx F (t )
Kajian Pustaka
9
• Eksitasi harmonik X(t) didapat dari disk yang berputar secara eksentrik, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar.
y(t)
b
r
rmak rmin
Gambar Eksitasi Gerak Harmonik
Kajian Pustaka
10
2. 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.
Gambar magnet melalui sebuah kumparan
Kajian Pustaka
11
• Sesuai hukum Faraday, dengan medan magnet atau fluks yang berubah-ubah, maka pada kumparan akan timbul gaya gerak listrik (ggl) sebesar : d e N
dt
Jika kerapatan fluks dan luas penampang merupakan besaran konstan dan bergerak didalam sebuah kumparan dengan kecepatan v, maka persamaan menjadi : E= B l v
Kajian Pustaka
12
• Medan Magnet pada Rangkaian Solenoidal Rangkaian solenoidal adalah rangkaian yang terdiri dari beberapa loop melingkar koaksial. l
.P
r
N
Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid
Pada gambar nilai medan magnet (B) pada titik P dapat dicari dengan perumusan : B
0 IN L
Kajian Pustaka
13
• Konduktivitas dan tahanan listrik; Hukum Ohm Hukum ohm menyatakan bahwa tegangan antara jenis bahan penghantar (V) berbanding lurus dengan arus yang mengalir pada bahan tersebut (I).
METODOLOGI
14
Diagram Alir Tugas Akhir secara Global Start
B
Studi Literatur
A
Penentuan Metode Pembangkitan Energi
Pemodelan Matematis
Perencanaan Pengujian
Perhitungan voltase bangkitan
Pembuatan Mekanisme
tidak
Apakah (V)exp ≈ (V)teo ?
ya Pengujian Mekanisme
Pengambilan Data
B
Komparasi voltase(V) bangkitan dari pengujian dengan hasil perhitungan secara teori
A
Kesimpulan
End
METODOLOGI Penentuan metode Pembangkitan Energi
Skema mekanisme pembangkit daya
X(t)
15 mm
20 mm
X(t)
20 mm
20 mm
X(t)
25 mm
Pada tahap ini digunakan magnet dan rangkaian kumparan yang dapat membangkitkan voltase dengan diberikannya tegangan mekanik. Dengan jumlah lilitan dan panjang kumparan pada mekanisme pembangkit daya yang telah divariasikan maka akan terbangkitkan voltase yang kemudian diukur dengan menggunakan osilloscope.
20 mm
•
15
METODOLOGI Diagram alir perhitungan
:
16
Start
A
Menentukan nilai I , L , μ0 , l , X dan CPM
A
Apakah N =3000 ?
1CPM = 4X f = CPM / 60 v = f 4X
Apakah L =25mm ?
Ni = N1 N1 = 1000 lilitan N2 = 2000 lilitan N3 = 3000 lilitan
End
Li = L1 L1 = 15 mm L2 = 20 mm L3 = 25 mm
i=i+1
B
0 IN
i=i+1
L
E=B l v
A
A
A
A
METODOLOGI
17
• Perencanaan pembuatan Mekanisme Pemanen Energi Getaran. Pada tahap ini mekanisme pengukuran bangkitan energi listrik dimodelkan dengan rangkaian magnet, pegas, dan juga kumparan yang divariasikan. Spring
Battery
Mass
Coil x
Pushrod
Conversion circuit
Guide
Wheel Eccentric disc
Motor
b
Skema Mekanisme Pemanen Energi Getaran
METODOLOGI
18
Diagram alir percobaan A
B
Mula i Nyalakan Power suply 7,5 Volt
Persiapan peralatan
Ambil data Stroboscope
Pasang Disk ke motor DC
Ambil data Osciloscope sebanyak 5 kali
Sambungkan Motor DC ke Power suply
Nomor mekanisme pembangkit daya +1
Matikan Power Suply
Nyalakan Osciloscope Mekanisme pembangkit daya nomer 9?
Sambungkan probe osciloscope ke mekanisme pembangkit daya
Ya
Pasang Mekanisme pembangkit daya
Matikan Osciloscope
selesai
A
B
Tidak
METODOLOGI
19
• Peralatan percobaan 1.
Mekanisme pembangkit daya
9 cm
4.
2.
Osciloscope
3.
Stroboscope
5.
Motor DC
6.
Kabel
1.7 cm
Power supply
HASIL & ANALISA
20
• Perhitungan Kecepatan gerak magnet Dari RPM motor yang diketahui dapat dicari kecepatan gerak magnet dengan mengkonversi kecepatan putar poros menjadi kecepatan magnet berosilasi, dapat dilihat dari perumusan dibawah ini : 1 rotasi = 4 x Amplitudo v = RPM v = f 4X Dimana : X = 10mm ,dan f = RPM / 60 s = 885 / 60 s = 14,75 /s
v = 14,75 /s x 40 mm = 590 mm/s = 0,59 m/s
HASIL & ANALISA
21
Kuat Medan Magnet L N I μ0
= 15 mm = 1000 lilitan = 2,26 Ampere = 12,56 x 10-7 Wb/A.m
0 IN B L
12,56.10 7 Wb / Am 2,26 A 1000 B 0,015m B = 0,19 Wb/m²
HASIL & ANALISA
22
Tabel Perhitungan kuat medan magnet Panjang Kumparan
N
I
μ0
L
B
15 mm
1000
2.26
0.000001256
0.015
0.19
20 mm
1000
2.01
0.000001256
0.02
0.13
25 mm
1000
1.83
0.000001256
0.025
0.09
15 mm
2000
2.81
0.000001256
0.015
0.47
20 mm
2000
2.64
0.000001256
0.02
0.33
25 mm
2000
2.31
0.000001256
0.025
0.23
15 mm
3000
3.47
0.000001256
0.015
0.87
20 mm
3000
3.12
0.000001256
0.02
0.59
25 mm
3000
2.59
0.000001256
0.025
0.39
HASIL & ANALISA
23
Voltase bangkitan E= B l v E = 0,19 Wb/m² x 50,24 m x 0,59 m/s E = 0,19 V.s/m² x 50,24 m x 0,59 m/s E = 5,63 Volt Tabel Voltase bangkitan dari perhitungan teori Panjang kumparan 15 mm 20 mm 25 mm
Jumlah lilitan 1000 1000 1000
B 0.19 0.13 0.09
l 50.24 50.24 50.24
V 0.59 0.59 0.59
E 5.63 3.85 2.66
15 mm
2000
0.47
100.48
0.59
27.86
20 mm
2000
0.33
100.48
0.59
19.56
25 mm
2000
0.23
100.48
0.59
13.64
15 mm
3000
0.87
150.72
0.59
77.36
20 mm
3000
0.59
150.72
0.59
52.47
25 mm
3000
0.39
150.72
0.59
34.68
HASIL & ANALISA Grafik voltase hasil perhitungan Grafik Voltase Hasil Perhitungan 90 80
77.36
volt
70 60 52.47
50 40
L2 = 20mm 34.68
30 20 10 0
L1 = 15mm
27.86 19.56 13.64 5.63 3.85 2.66 1000
2000 Jumlah lilitan
3000
L3 = 25mm
24
HASIL & ANALISA Contoh perhitungan RMS rms
rms
V
2
2250
53360.56 2250
rms 4.87
Tabel contoh perhitungan RMS S
V
V²
0
4.8
23.04
0.002
4.8
23.04
0.004
4.6
21.16
0.006
4.6
21.16
…
…
…
…
…
…
Σ V²
Σ V²/ 2250
RMS
53360.56
23.72
4.87
25
HASIL & ANALISA
26
Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 15 mm
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Panjang kumparan
Jumlah lilitan
RMS
1000
4.87
2000
9.12
3000
13.11
1000 lilitan 2000 lilitan
Time (s)
8.89
8.21
7.52
6.84
6.16
5.47
4.79
4.1
3.42
2.74
2.05
1.37
0.68
3000 lilitan
0
volt
Grafik Voltase L1 = 15mm
15 mm
HASIL & ANALISA
27
Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 20 mm Grafik Voltase L2 = 20mm 16 14 10
1000 Lilitan
8
2000 Lilitan
6
3000 Lilitan
Panjang kumparan
20 mm
4 2
Time (s)
9
8.3
7.61
6.92
6.23
5.54
4.84
4.15
3.46
2.77
2.08
1.38
0.69
0
0
volt
12
Jumlah lilitan RMS 1000
3.51
2000
8.14
3000
11.16
HASIL & ANALISA
28
Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 25 mm Grafik Voltase L3 = 25mm 12
Panjang kumparan
10 1000 Lilitan
6
2000 Lilitan 3000 Lilitan
4 2
Time (s)
9
8.3
7.61
6.92
6.23
5.54
4.84
4.15
3.46
2.77
2.08
1.38
0.69
0
0
volt
8
25 mm
Jumlah lilitan RMS 1000
2.46
2000
5.16
3000
8.1
HASIL & ANALISA
29
Hasil Pengujian voltase fungsi waktu untuk 1000 lilitan Grafik Voltase 1000 Lilitan 7
Jumlah lilitan
Panjang kumparan
RMS
15 mm
4.81
20 mm
3.48
25 mm
2.51
5 L1 = 15mm
4
L2 = 20mm
3
L3= 25mm
2 1
Time (s)
0.88
0.82
0.75
0.68
0.61
0.54
0.48
0.41
0.34
0.27
0.2
0.14
0.07
0
0
Voltase (volt)
6
1000
HASIL & ANALISA
30
Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk 2000 lilitan Grafik Voltase 2000 Lilitan 14 12
Jumlah lilitan
RMS
15 mm
9.07
20 mm
7.84
25 mm
4.89
L1 = 15mm
8
L2 = 20mm
6
L3 = 25mm
2000
4 2
Time (s)
8.94
8.26
7.57
6.88
6.19
5.5
4.82
4.13
3.44
2.75
2.06
1.38
0.69
0
0
volt
10
Panjang kumparan
HASIL & ANALISA
31
Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk 3000 lilitan
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Jumlah lilitan
Panjang kumparan
RMS
15 mm
13.15
20 mm
11.07
25 mm
7.93
L1 = 15mm L2 = 20mm
Time (s)
9
8.3
7.61
6.92
6.23
5.54
4.84
4.15
3.46
2.77
2.08
1.38
0.69
L3 = 25mm
0
volt
Grafik Voltase 3000 Lilitan
3000
HASIL & ANALISA
32
Grafik voltase hasil pengujian Grafik Voltase Hasil Pengujian 14
13.15
12
11.3
volt
10
9.09 7.85
8 6 4 2
8.4
L1 = 15mm L2 = 20mm L3 = 25mm
5.154 4.08 3.52 2.54
0 1000
2000
3000
Jumlah Lilitan
Panjang kumparan 15 mm 20 mm 25 mm
Jumlah lilitan 1000 2000 4.81 9.09 3.52 7.85 2.54 5.154
3000 13.15 11.3 8.4
HASIL & ANALISA
33
Perbandingan Voltase hasil perhitungan dengan pengujian
Panjang kumparan
15 mm
20 mm
25 mm
Jumlah lilitan 1000 2000 3000 1000 2000 3000 1000 2000 3000
Pengujian voltase (volt) 4.81 9.09 13.15 3.52 7.85 11.3 2.54 5.15 8.4
Teori Voltase (volt) 5.63 27.86 77.36 3.85 19.56 52.47 2.66 13.64 34.68
KESIMPULAN & SARAN Kesimpulan 1. Voltase yang dihasilkan dari pemanen energi getaran yang panjang kumparannya divariasikan mulai dari 15 mm, 20 mm, hingga 25 mm didapatkan semakin panjang kumparan yang digunakan pada mekanisme pembangkit daya, maka semakin kecil voltase yang dibangkitkan.
2. Voltase yang dihasilkan dari pemanen energi getaran yang jumlah lilitannya divariasikan mulai dari 1000 lilitan, 2000 lilitan, hingga 3000 lilitan didapatkan semakin banyak jumlah lilitan yang digunakan pada mekanisme pembangkit daya, maka semakin besar voltase yang dibangkitkan.
34
KESIMPULAN & SARAN Kesimpulan 3. Voltase bangkitan terbesar secara teori dan pengujian terjadi pada saat mekanisme pemanen energi getaran menggunakan mekanisme pembangkit daya dengan panjang kumparan 15 mm dan jumlah lilitan 3000 lilitan yaitu sebesar 77,36 volt untuk teori dan 13,15 volt untuk pengujian. Sedankan yang terendah terjadi pada panjang kumparan 25 mm dan jumlah lilitan 1000 4. Pada setiap penambahan jumlah lilitan range antara voltase bangkitan aktual dengan voltase perhitungan menjadi semakin besar. Hal ini terjadi karena semakin banyak kawat yang dililitkan, maka semakin banyak pula terjadi rugi yang diakibatkan dari hambatan dan induktor kawat tersebut.
35
KESIMPULAN & SARAN
36
Saran 1. Pada penelitian selanjutnya dilakukan pengukuran arus yang dibangkitkan dengan menggunakan alat yang lebih teliti dari pada multimeter. 2. Pada penelitian selanjutnya dapat dilakukan analisa pada mekanisme pembangkit daya dengan variasi kumparan yang lainnya agar didapatkan mekanisme pembangkit daya yang mampu membangkitkan voltase lebih besar lagi.
40
Kajian Pustaka
13
