ANALISIS PERBANDINGAN EFEK PEMBEBANAN TERHADAP GGL BALIK DAN EFISIENSI PADA MOTOR DC PENGUATAN KOMPON PANJANG DAN MOTOR INDUKSI Jean Jhenesly F Tumanggor, Ir. Riswan Dinzi, MT Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 2155 INDONESIA email : jheneslytumanggor@usu.ac.id Abstrak Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi enegi mekanis. orang beranggapan bahwa tidak perlu lagi dipelajari motor arus searah karena dipergunakan pada industriindustri sudah sangat kurang. Namun akhirnya beberapa tahun terakhir ini motor arus searah mengalami perkembangan ada beberapa alasan untuk dilanjutkan popularitas dari motor dc. Paper ini membahas analisis perbandingan efek pembebanan terhadap GGL balik dan efisiensi pada motor dc kompon panjang dan motor induksi. Besar efisiensi maksimum pada motor dc kompon panjang adalah 43,881 % dengan besar GGL lawan 193,996 V pada arus beban atau arus beban 5,91 A dan efisiensi minimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 17,8196% dengan besar GGL lawan 24,952 A dan arus beban sebesar 3,42 A. Motor induksi adalah mesin yang paling banyak digunakan dalam industri. Dalam aplikasinya motor induksi banyak digunakan untuk kebutuhan seharihari, juga untuk industri. Perhitungan GGL balik dan efisiensi motor secara akurat diperlukan untuk mengetahui kondisi aktual motor induksi yang pada akhirnya bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja sistem secara keseluruhan. Tingkat efisiensi motor induksi dipengaruhi oleh rugi ruginya. Besar efisiensi maksimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 84,6419 % dengan besar GGL lawan 37,8318 V pada arus beban atau arus stator 5,16 A dan efisiensi minimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 8,53% dengan besar GGL lawan 369,4386 V dan arus beban sebesar 5,94 A. Kata Kunci : GGL Balik, Motor dc, Motor induksi Tiga fasa Rotor belitan, Efisiensi 1. Pendahuluan 2. Motor DC dan Motor Induksi Tiga Fasa Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Pada motor arus searah energi listrik yang diubah adalah energi arus searah yang berasal dari sumber tegangan listrik arus searah. Dimana sumber tegangan ini dihubungkan pada rangkaian medan dan rangkaian jangkar dari motor tersebut. Akhirakhir ini mungkin banyak orang beranggapan bahwa tidak perlu lagi mempelajari motor arus searah karena penggunaannya pada industriindustri sudah sangat kurang. Oleh sebab itu, perlu dilakukan pengujian untuk membandingkan pengaruh efek pembebanan dan efisiensi pada motor dc penguatan kompon panjang dan motor induksi tiga fasa merupakan masalah yang sangat penting dalam motor listrik karena motor yang akan terus dibebani, maka akan mempengaruhi terhadap besar GGL balik dan efisiensi pada sebuah motor. Motor arus searah (DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran. Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam dan bagian yang berputar. Kumparan medan pada stator tersebut dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus medan (I f ). Kumparan medan yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garis garis fluksi). Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus jangkar, berdasarkan hukum Lorenzt kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula halnya pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari 53 copyright @ DTE FT USU
kedua kutub dan panjang konduktor jangkar (l). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar [1]. Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah induksi magnetik (B) maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah seperti pada Persamaan 1 [2]. F = B. I. l Newton (1) di mana : I = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere) B = Kerapatan fluksi (Weber/m 2 ) l = Panjang konduktor jangkar (m) Maka, besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor jangkar z dapat dilihat pada Persamaan 2. F z. B. I.. l Newton (2) Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas akan menghasilkan torsi dapat dilihat pada persamaan 3. T a F. r Newtonmeter (3) Maka, T a z. B. I. l. d / 2 Newton meter (4) Apabila torsi start lebih besar daripada torsi beban maka jangkar akan berputar. Sehingga prinsip kerja motor dc dapat dilihat pada Gambar 1. sedangkan yang lainnya meninggalkan dot, sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling mengurangi. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial (lawan) pada Gambar 2. V t I L I sh R sh I s R s R I a E a a Gambar 2 Rangkaian ekuivalen motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial (lawan) [2] b. Motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif (bantu). Pada motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif, polaritas kedua kumparan medannya sama atau dikarenakan kedua arus medannya sama sama memasuki dot, sehingga fluksi yang dihasilkannya saling menguatkan. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif (bantu) pada Gambar 3. V t I L I sh. R sh. I s R s R a I a E a Gambar 1. Prinsip kerja Motor DC [2] Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Motor arus searah penguatan kompon panjang ini dibagi menjadi 2 jenis, yaitu [2]: a. Motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial (lawan). Pada motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan atau sesuai aturan dot, salah satu arus medannya memasuki dot Gambar 3 Rangkaian ekuivalen motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif (bantu) [2] Persamaan persamaan yang berlaku pada motor arus searah penguatan kompon panjang adalah: V t =E a I a R a I s R s (5) I L =I a I sh (6) I s =I a (7) Maka V t = E a I a ( R a R s ) (8) Vt I sh R (9) sh 54 copyright @ DTE FT USU
Motor induksi terdiri atas dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk silinder dan simetris. Diantara rotor dan stator ini terdapat celah udara yang sempit. Motor induksi adalah peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi mekanik. Pengubahan energi ini bergantung pada keberadaan fenomena alami magnetik dan medan listrik pada satu sisi dan gaya mekanis dan gerak di sisi lainnya. Prinsip kerja motor induksi tiga fasa dijabarkan dalam langkahlangkah sebagai berikut [3]: 1. Pada keadaan beban nol, ketiga fasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan fasa.arus pada tiap fasa menghasilkan fluksi bolakbalik yang berubahubah. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan fasa. 2. Akibat fluksi yang berputar timbul GGL pada stator motor yang besarnya adalah : d e 1 = N 1 (1) dt 3. Penjumlahan ketiga fluksi bolakbalik tersebut disebut juga putaran sinkron n s yang besarnya ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan dengan : 12. f (11) ns p 4. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (GGL) sebesar E 2 yang besarnya: E 2 4, 44 fn 2 m (12) dimana : E 2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam = Jumlah lilitan kumparan rotor N 2 Ф m = Fluksi maksimum 5. E2 menghasilkan arus rotor (I 2 ), I 2 dalam medan maget menghasilkan gaya pada rotor F rotor sehingga menimbulkan Kopel Mula 6. Bila Kopel Mula lebih besar dari Kopel Beban, maka rotor akan berputar 7. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan stator (n s ) dan kecepatan rotor (n r ) disebut slip (s), besarnya tegangan yang terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung 8. Besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E 2s yang Besarnya E 2s 4, 44sfN 2 m (13) dimana E 2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar f 2 = s.f frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar) Rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa seperti pada Gambar 4. Gambar 4 Rangkaian ekivalen Motor induksi Tiga fasa [4] Sehingga rumus pada GGL Balik Motor InduksiTiga Fasa sebagai berikut [3] : V 1 = E 1 I 1 (R 1 J X 1 ) Volt (14) 3. Pengaruh efek pembebanan pada Motor dc kompon panjang dan motor induksi Tiga Fasa Biasanya efek pembebanan pada motor sangat mempengaruhi parameterparameter khususnya pada motor induksi dan motor DC. Karena motor DC adalah mesin dc sedangkan motor induksi adalah mesin bolak balik (Alternating Current). Untuk mengetahui nilai parameter seperti GGL balik dan efisiensi pada motor DC dan motor induksi dapat dipahami melalui rangkaian ekivalen masing masing motor induksi dan motor DC. Ketika jangkar motor DC berputar di bawah pengaruh GGL penggerak, konduktor jangkar bergerak di dalam medan magnet dan akan menghasilkan tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. GGL induksi bekerja pada arah yang berlawanan dengan tegangan terminal V t (sesuai dengan bunyi Hukum Lenz) dan dikenal sebagai GGL lawan atau GGL balik E a. GGL balik E a (=PΦZN/6A) biasanya kurang dari tegangan terminal V, meskipun perbedaan ini kecil sekali pada saat motor berjalan di bawah kondisi normal. Dalam memutar GGL pada motor dc sama dengan memutar balik putaran pada motor dc. [4] Adanya GGL balik menjadikan 55 copyright @ DTE FT USU
motor DC yaitu motor memikul arus jangkar sesuai dengan yang dibutuhkan untuk membangkitkan GGL lawan. Vt Ea Ia (15) Ra 1. Ketika motor berjalan pada kondisi tanpa beban, GGL yang kecil dibutuhkan untuk mengatasi rugirugi gesek dan angin. Dengan demikian, arus jangkar I a juga kecil dan GGL balik besarnya hampir sama dengan tegangan terminal. 2. Jika motor tibatiba dibebani, efek yang pertama sekali dirasakan adalah penurunan kecepatan jangkar. Sehingga kecepatan konduktor jangkar yang bergerak di dalam medan magnet berkurang dan begitu juga dengan GGL balik E a. Berkurangnya GGL balik menyebabkan arus yang besar mengalir melalui jangkar dan arus yang besar ini juga meningkatkan GGL penggerak. Maka, GGL penggerak meningkat seiring dengan menurunnya kecepatan motor. Penurunan kecepatan motor akan berhenti ketika arus jangkar sudah cukup untuk menghasilkan GGL yang dibutuhkan oleh beban. 3. Jika beban motor dikurangi GGL penggerak sesaat melebihi dari yang dibutuhkan sehingga jangkar mengalami percepatan. Karena kecepatan jangkar meningkat, GGL balik juga akan meningkat dan menyebabkan arus jangkar I a berkurang. Motor akan berhenti dari percepatannya jika arus jangkar sudah cukup untuk menghasilkan GGL yang dibutuhkan oleh beban. Dengan demikian, GGL balik di dalam motor DC mengatur aliran arus jangkar, yang secara otomatis merubah besaran arus jangkar untuk memenuhi kebutuhan beban. Perhitungan untuk efisiensi motor dc induksi tiga fasa dirumuskan pada Persamaan 16. [6]: Pout η m= x1% (16) Pin Dalam menghasilkan GGL lawan pada motor induksi maka gelombang fluks celahudara yang berputar serempak membangkitkan GGL lawan fasa banyak seimbang di dalam fasafasa stator. Besarnya tegangan terminal stator berbeda dari GGL lawan sebesar jatuhnya tegangan pada reaktansi bocor stator pada stator akan timbul GGL induksi sendiri E1 atau dengan kata lain GGL lawan (balik) maupun dalam keadaan berbeban maupun tanpa beban, karena hanya GGL lawan E1 yang hanya melawan Tegangan sumber sehingga GGL lawan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3. untuk mendapatkan nilai GGL lawan pada motor induksi tiga pahasa [3]. Dengan menentukan nilai parameter parameter pada rangkaian ekivalen motor induksi terlebih dahulu melalui 3 tes yaitu : (i) Percobaan beban nol (ii) Percobaan rotor tertahan (iii) Percobaan tahanan dc Perhitungan untuk efisiensi motor dc Induksi tiga fasa dirumuskan pada Persamaan 17. Pout Pin Ploss Pout (%) x1 % x1 % x1 % Pin Pin Pout Ploss (17) 4. Hasil Simulasi dan Analisis Percobaan pengukuran analisis efek pembebanan pada motor dc dan motor induksi dapat dilakukan dengan mensimulasi besar nilai GGL lawan pada motor dc kompon panjang dan motor induksi dengan menentukan terlebih dahulu nilai parameterparameter pada motor dc kompon panjang dan motor induksi.percobaan ini dilakukan untuk menentukan nilai besar GGL lawan dan efisiensi dari motor dc kompon panjang dan motor induksi sehingga rugirugi dapat dikurangi dan perawatan minimum. Motor yang digunakan pada analisis ini adalah motor DC AEG tipe Gd 11/11GMotor 7983745 dengan penguatan kompon panjang yang terdapat dilaboratorium konversi energy Listrik FTUSU dengan spesifikasi sebagai berikut: 2 Kutub, Tegangan 22 v, TYPE ISOLASI B, 14 rpm, 5 Hz, Ish=.177 Ampere, Daya 1.2 Kw, Daya 1.2 Kw, I l = 7.1 A Rsh (JK) = 1.25 kω Rs (EF) =,6 kω Ra (GAHB) = 3,8 kω Dari pengujian yang dilakukan dari kondisi berbeban diperoleh pada data Tabel 1. Tabel 1 Data Percobaan Berbeban Persen beban (%) Is=Ia 25 3.42 Ampere 5 4.5 Ampere 75 4.93 Ampere 1 5.91 Ampere Dari pengujian yang dilakukan dari kondisi tanpa 56 copyright @ DTE FT USU
beban diperoleh pada data Tabel 2. Tabel 2 Percobaan Tanpa Beban ( % Beban) Is=Ia 2.69 Ampere Motor yang digunakan pada analisis ini dilaboratorium konversi energy Listrik FTUSU dengan spesifikasi sebagai berikut: AEG Type C Am 112MU4RI 2.2 Kw, Cosφ.67 Δ/Y 22/36 V 1.7/6.2 TYPE ISOLASI B 15 rpm, 5 Hz Amperemeter AC & DC Volt Meter Tahanan Geser Watt Meter 3φsumber tegangan AC dan DC Adapun data percobaan pada motor induksi tiga fasa rotor belitan seperti pada Tabel 3. Tabel 3 Data percobaan pada Motor Induksi Tiga fasa rotor belitan Persen beban Arus stator ( amper e) Putara n rotor (rpm) P input (Kw) ARUS ROTOR Ampere 25 4.71 14 1.2 7.52 5 5.16 135 1.7 9.51 75 5.94 135 2.4 14.72 1 5.98 13 2.45 14.54 Berdasarkan datadata yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat dilakukan analisis perhitungan dengan simulasi program software matlab seperti pada Tabel 4. GGL LAWAN Volt Tabel 4 Analisis Data pada Motor DC Kompon panjang ARUS Effisiensi BEBAN (%) (I S =Ia) ampere Persen beban (%) 24.952 17.8196 3.42 25 22.18 27.8436 4.5 5 198.38 37.1842 4.93 75 193.996 43.881 5.91 1 Sehingga dapat digambarkan kurva GGL lawan terhadap beban seperti ditunjukkan pada Gambar 5. g g l b a lik e ffis ie n s i 2 15 1 5 ggl balik thd arus beban 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 arus beban Gambar 5 Grafik GGL balik VS arus beban Pada Sehingga kurva efissiensi terhadap beban pada motor dc kompon panjang seperti ditunjukkan pada Gambar 6. 1 8 6 4 2 effisiensi thd arus beban 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 arus beban Gambar 6 Grafik Effisiensi VS arus beban Pada Berdasarkan datadata yang diperoleh dari hasil pengujian, dapat dilakukan analisis perhitungan dengan simulasi program software matlab seperti pada Tabel 5. Tabel 5 Analisis Data pada Motor Induksi Tiga Fasa rotor belitan Persen Arus stator beban (ampere) Putaran rotor (rpm) P input (Kw) GGL balik (E1) VOLT (%) ARUS ROTOR Ampere 25 4.71 14 1.2 371.64 83.8464 7.52 5 5.16 135 1.7 37.8318 84.6419 9.51 75 5.94 135 2.4 369.561 8.53 14.72 1 5.98 13 2.45 369.4386 81.616 14.54 Sehingga dapat digambarkan kurva GGL lawan terhadap beban seperti ditunjukkan pada Gambar 7. 57 copyright @ DTE FT USU
g g l b a l i k e t a 35 3 25 2 15 1 5 ggl balik thd beban 4.5 5 5.5 6 arus stator Gambar 7 Grafik GGL balik VS arus stator Pada Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan sehingga kurva efisiensi terhadap beban pada motor induksi tiga fasa rotor belitan dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 8. 1 8 6 4 2 eta (effisiensi) thd beban 4.5 5 5.5 6 arus stator Gambar 8 Grafik Efisiensi VS arus stator Pada Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan 5. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari tugas akhir ini adalah: 1. Besar Parameter Motor Induksi yang diperoleh dari percobaan ini adalah : R m = 4.937 Ohm X 1 = 3,61 Ohm R 1 = 1.842 Ohm X 2 = 4.591 Ohm R 2 =.42 Ohm X m = 61.1 Ohm Sedangkan pada motor dc penguatan kompon panjang : Rs =,6 Ohm Rsh = 125 Ohm Ra= 3,8 Ohm 2. Pada percobaan pengaruh pembebanan terhadap arus stator dan arus rotor dan arus jangkar yang dihasilkan, diketahui bahwa jika persen beban yang dihubungkan ke rotor diperbesar maka nilai arus stator dan arus rotor dan arus jangkar pada motor dc dan motor induksi rotor belitan yang dihasilkan juga akan bertambah. 3. Menurut percobaan effisiensi pada motor dc kompon panjang akan meningkat seiring meningkatnya arus beban sedangkan pada motor induksi tiga fasa rotor belitan berbeda diakibatkan oleh pembebanan yang bervariasi. 4. GGL lawan pada motor dc kompon panjang dan motor induksi tiga fasa akan meningkat seiring meningkatnya beban pada motor dc kompon panjang dan motor induksi tiga fasa rotor belitan. 6. Daftar Pustaka [1] Chapman, J Stephen, Electrical machinery Fundamental, Mc GrawHill Book Company, singapore, 1999 [2] Mehta, V,k dan Mehta, Rohit, Principles of electrical machines first edition, S. chand and company LTD, Ram Nagar, New Delhi, 22. [3] Fitzgerald Kingslay JR, Mesinmesin Listrik, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga, Jakarta, 199. [4] Theraja BL. Ak, A Text Book of Electrical Technology, Publication Division Nirja Construction And Development Co. Ltd, New Delhi, 1993. [5] Wijaya, Mochtar, Dasardasar mesin listrik, penerbit Djamban, jakarta, 21 [6] Sen S. K, Rotating Electrical Machinery, Khana Publisher, New Delhi, 197 [7] http://lontar.ui.ac.id/file?file=digital/228447 3 S798etode%2perhitungan.pdf 58 copyright @ DTE FT USU