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 1 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 Industrial Machinery Energy Source (Vibration) Agriculture Medical Trains Cargo Container Building & Bridges
Latar Belakang 2 Mesin mesin menimbulkan getaran Getaran menimbulkan gaya eksitasi Getaran dikonversi kedalam energi listrik
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 4 1. Frekuensi pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran dianggap harmonik dengan frekuensi konstan. 2. Perubahan temperatur akibat gesekan magnet dengan dinding bagian dalam tabung diabaikan. 3. Gerakan osilasi magnet terhadap koil hanya kearah vertikal. 4. Alat pengukuran arus listrik yang dibangkitkan menggunakan digital osciloscope dalam keadaan normal. 5. Motor yang digunakan untuk menggerakan Mekanisme Pemanen Energi Getaran adalah motor DC. 6. 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 6 1. Mengetahui jumlah lilitan dan panjang kumparan yang efektif pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran sehingga dapat menghasilkan voltase bangkitan yang lebih efektif. 2. Mengetahui perbandingan antara data voltase yang dibangkitkan secara aktual dengan hasil perhitungan. 3. 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 : m x 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 : e N d 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 Studi Literatur B A Penentuan Metode Pembangkitan Energi Komparasi voltase(v) bangkitan dari pengujian dengan hasil perhitungan secara teori Pemodelan Matematis Perhitungan voltase bangkitan Perencanaan Pengujian Pembuatan Mekanisme tidak Apakah (V)exp (V)teo? ya Pengujian Mekanisme Kesimpulan Pengambilan Data End B A
METODOLOGI 15 Penentuan metode Pembangkitan Energi 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 X(t) X(t) X(t) 25 mm 20 mm 20 mm 20 mm 15 mm Skema mekanisme pembangkit daya
METODOLOGI Diagram alir perhitungan : 16 Start Menentukan nilai I, L, μ0, l, X dan CPM A A A 1CPM = 4X f = CPM / 60 Apakah N =3000? v = f 4X N i = N 1 N 1 = 1000 lilitan N 2 = 2000 lilitan N 3 = 3000 lilitan Apakah L =25mm? End L i = L 1 L 1 = 15 mm L 2 = 20 mm L 3 = 25 mm i = i + 1 B 0IN L E=B l v i = i + 1 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 Conversion circuit Pushrod Guide Wheel Eccentric disc Motor b Skema Mekanisme Pemanen Energi Getaran
Diagram alir percobaan METODOLOGI Mula i A B 18 Persiapan peralatan Nyalakan Power suply 7,5 Volt Pasang Disk ke motor DC Ambil data Stroboscope Ambil data Osciloscope sebanyak 5 kali Sambungkan Motor DC ke Power suply Nyalakan Osciloscope Matikan Power Suply Nomor mekanisme pembangkit daya + 1 Sambungkan probe osciloscope ke mekanisme pembangkit daya Pasang Mekanisme pembangkit daya Mekanisme pembangkit daya nomer 9? Ya Matikan Osciloscope Tidak A B selesai
METODOLOGI 19 Peralatan percobaan 1. Mekanisme pembangkit daya 2. Osciloscope 3. Stroboscope 9 cm 1.7 cm 4. Power supply 5. Motor DC 6. Kabel
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 B 0 IN L B 12,56.10 7 Wb / Am 2,26A 1000 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 Jumlah lilitan B l V E 15 mm 1000 0.19 50.24 0.59 5.63 20 mm 1000 0.13 50.24 0.59 3.85 25 mm 1000 0.09 50.24 0.59 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
volt HASIL & ANALISA 24 Grafik voltase hasil perhitungan Grafik Voltase Hasil Perhitungan 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 77.36 52.47 34.68 27.86 19.56 13.64 5.63 3.85 2.66 1000 2000 3000 Jumlah lilitan L1 = 15mm L2 = 20mm L3 = 25mm
HASIL & ANALISA 25 Contoh perhitungan RMS rms rms V rms 4.87 2 2250 53360.56 2250 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
0 0.68 1.37 2.05 2.74 3.42 4.1 4.79 5.47 6.16 6.84 7.52 8.21 8.89 volt HASIL & ANALISA 26 Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 15 mm Grafik Voltase L1 = 15mm 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1000 lilitan 2000 lilitan 3000 lilitan Panjang kumparan 15 mm Jumlah lilitan RMS 1000 4.87 2000 9.12 3000 13.11 Time (s)
0 0.69 1.38 2.08 2.77 3.46 4.15 4.84 5.54 6.23 6.92 7.61 8.3 9 volt HASIL & ANALISA 27 Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 20 mm Grafik Voltase L2 = 20mm 16 14 12 10 1000 Lilitan Panjang kumparan Jumlah lilitan RMS 8 6 4 2000 Lilitan 3000 Lilitan 20 mm 1000 3.51 2000 8.14 2 0 3000 11.16 Time (s)
0 0.69 1.38 2.08 2.77 3.46 4.15 4.84 5.54 6.23 6.92 7.61 8.3 9 volt HASIL & ANALISA 28 Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk panjang kumparan 25 mm Grafik Voltase L3 = 25mm 12 10 8 6 4 1000 Lilitan 2000 Lilitan 3000 Lilitan Panjang kumparan 25 mm Jumlah lilitan RMS 1000 2.46 2000 5.16 2 3000 8.1 0 Time (s)
0 0.07 0.14 0.2 0.27 0.34 0.41 0.48 0.54 0.61 0.68 0.75 0.82 0.88 Voltase (volt) HASIL & ANALISA 29 Hasil Pengujian voltase fungsi waktu untuk 1000 lilitan Grafik Voltase 1000 Lilitan 7 6 5 4 3 2 1 L1 = 15mm L2 = 20mm L3= 25mm Jumlah lilitan 1000 Panjang kumparan RMS 15 mm 4.81 20 mm 3.48 25 mm 2.51 0 Time (s)
0 0.69 1.38 2.06 2.75 3.44 4.13 4.82 5.5 6.19 6.88 7.57 8.26 8.94 volt HASIL & ANALISA 30 Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk 2000 lilitan Grafik Voltase 2000 Lilitan 14 12 10 8 6 4 2 L1 = 15mm L2 = 20mm L3 = 25mm Jumlah lilitan 2000 Panjang kumparan RMS 15 mm 9.07 20 mm 7.84 25 mm 4.89 0 Time (s)
0 0.69 1.38 2.08 2.77 3.46 4.15 4.84 5.54 6.23 6.92 7.61 8.3 9 volt HASIL & ANALISA 31 Hasil Pengujian Grafik voltase fungsi waktu untuk 3000 lilitan Grafik Voltase 3000 Lilitan 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 L1 = 15mm L2 = 20mm L3 = 25mm Jumlah lilitan 3000 Panjang kumparan RMS 15 mm 13.15 20 mm 11.07 25 mm 7.93 Time (s)
volt HASIL & ANALISA 32 Grafik voltase hasil pengujian Grafik Voltase Hasil Pengujian 14 12 10 8 6 4 2 0 13.15 11.3 9.09 7.85 8.4 5.154 4.08 3.52 2.54 1000 2000 3000 Jumlah Lilitan L1 = 15mm L2 = 20mm L3 = 25mm Panjang kumparan Jumlah lilitan 1000 2000 3000 15 mm 4.81 9.09 13.15 20 mm 3.52 7.85 11.3 25 mm 2.54 5.154 8.4
HASIL & ANALISA 33 Perbandingan Voltase hasil perhitungan dengan pengujian Panjang kumparan 15 mm 20 mm 25 mm Pengujian Teori Jumlah lilitan voltase (volt) Voltase (volt) 1000 4.81 5.63 2000 9.09 27.86 3000 13.15 77.36 1000 3.52 3.85 2000 7.85 19.56 3000 11.3 52.47 1000 2.54 2.66 2000 5.15 13.64 3000 8.4 34.68
KESIMPULAN & SARAN 34 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.
KESIMPULAN & SARAN 35 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.
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