PENGARUH POSISI SIKAT DAN PENAMBAHAN KUTUB BANTU TERHADAP EFISIENSI DAN TORSI MOTOR DC SHUNT

Transkripsi

1 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 INDONESIA jesayassihombingje@ymail.com 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 yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 6470 % sedangkan pada motor DC shunt dengan kutub bantu sebesar 6509 %. Torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 288 N-m sedangkan pada motor DC shunt dengan kutub bantu sebesar 1323 N-m. Kata Kunci : motor dc shunt posisi sikat penambahan kutub bantu 1. Pendahuluan 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. 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. 2. Motor Arus Searah 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 (I f ) pada kumparan medan sehingga menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar (I a ) 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]: F = B.i.l (1) Dimana : F = gaya yang bekerja pada konduktor (N) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m 2 ) i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) DTE FT USU

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. Gaya yang timbul pada konduktor jangkar tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan persamaan 2 berikut ini : T a = F.r (2) Dimana : T a = torsi jangkar (N-m) r = jari-jari motor (m) Prinsip kerja motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar 1. 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]. 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. 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. Gambar 1. Prinsip Kerja Motor DC[1] 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. 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 Gambar 2. Rangkaian Ekivalen motor dc shunt[3] Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt[3]: V = E + I R (2) I = I + I (3) Dimana : V t = tegangan terminal jangkar motor dc (Volt) E a = gaya gerak listrik lawan motor dc (volt) I a = arus kumparan medan seri (Ampere) R a = tahanan jangkar (Ohm) I sh = 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 DTE FT USU

3 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] : Rugi-Rugi = Daya Masukan Daya Keluaran Torsi adalah putaran dari suatu gaya terhadap suatu poros. Ini diukur dengan hasil gaya itu dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut bekerja. Torsi = F x r (N-m) (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 (T a ). atau T a = 0159 x b. Torsi Poros x I T a = 955 x N-m (5) Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros untuk melakukan usaha yang berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan T sh. Torsi poros merupakan torsi yang akan menghasikan daya keluaran motor yang berguna. Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya pada mesin listrik arus searah efisiensinya dinyatakan sebagai berikut[5] : η (%) = x100% (7) Dimana : P = daya masukan P = daya keluaran 3. Metode Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Januari Penelitian kasus dilakukan dengan melakukan pergeseran posisi sikat sebesar 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 pada motor dc shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt dengan kutub bantu. Adapun perhitungan efisiensi dan torsi menggunakan formulasi sebagai berikut : 1. Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu P in = V t x I L (Watt) P rugi-rugi = (I a ) 2 x R a + (I sh ) 2 x R sh (Watt) P out = P in P rugi-rugi (Watt) Efisiensi (η) = x100% Torsi (T sh ) = 955 x N-m 2. Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu P in = V t x I L (Watt) P rugi-rugi = (I a ) 2 x (R a + R KB ) + (I sh ) 2 x R sh (Watt) P out = P in P rugi-rugi (Watt) Efisiensi (η) = x100% atau T sh = T sh = 955 x / ( ) ( ) N-m (6) Torsi (T sh ) = 955 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 DTE FT USU

4 4. Analisis Data Dari pengujian yang dilakukan maka diperoleh data-data pada Tabel 1 dan Tabel 2. V t = 50 Volt R sh = 1250 Ω R a = 38 Ω R KB = 23 Ω R L = 100 Ω Tabel 1. Data Pengujian Posisi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Posisi I L (A) Ia I sh n (rpm) (A) (A) Tabel 2. Data Pengujian Posisi Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Gambar 3. Rangkaian Pengujian Posisi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Gambar 4. Rangkaian Pengujian Posisi Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Posisi I L (A) Ia I sh n (rpm) (A) (A) 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 -30 P in = V t x I L = 50 x 937 = 4685 Watt P rugi-rugi = (I a ) 2 x R a + (I sh ) 2 x R sh = (933) 2 x 38 + (004) 2 x 1250 = = Watt P out = P in P rugi-rugi = = Watt η = x100% DTE FT USU

5 = T sh = 955 x = 955 x = 288 N-m x100% = 2896 % b. Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Posisi -30 P in = V t x I L = 50 x 807 = 4035 Watt P rugi-rugi = (I a ) 2 (R a + R KB ) + (I sh ) 2 x R sh = (803) 2 ( ) + (004) 2 x 1250 = = Watt P out = P in P rugi-rugi = = Watt η = x100% = x100% = 2919 % T sh = 955 x = 955 x = 1323 N-m Dengan melakukan cara perhitungan yang sama untuk posisi sikat dan 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. Tabel 3. Perbandingan Efisiensi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Dengan Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Efisiensi (%) Posisi Tanpa Kutub Dengan Kutub Bantu Bantu Tabel 4. Perbandingan Torsi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Dengan Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu Torsi (N-m) Posisi Tanpa Kutub Dengan Kutub Bantu Bantu 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. Efisiensi (%) Posisi (Derajat) Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Gambar 5. Grafik Perbandingan Efisiensi Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu vs Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu DTE FT USU

6 Torsi (N-m) Posisi (Derajat) Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu [3] Siahaan Ramcheys Studi Pengaruh Perubahan Posisi Terhadap Efisiensi Motor DC Shunt. Medan: Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. [4] Metha V.K dan Rohit Mehta Principles of Electrical Machines. New Delhi: S. Chand & Company Ltd. [5] Theraja B.L A Text Book of Electrical Technology. New Delhi: Nurja Construction & Development. 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 yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 6470 % sedangkan pada motor DC dengan kutub bantu sebesar 6509 %. 2. Pada masing-masing motor DC yang diuji torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 288 N-m sedangkan pada motor DC dengan kutub bantu sebesar 1323 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 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 Dasar-Dasar Mesin Listrik. Djambatan. Jakarta DTE FT USU