STUDI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC SHUNT DENGAN METODE WARD LEONARD (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Dimas Harind Yudha Putra,Riswan Dinzi Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: mazdimas@ymail.com ABSTRAK Motor arus searah merupakan salah satu motor listrik yang sering digunakan oleh industri industri terutama industri yang membutuhkan kecepatan putaran yang konstan. Motor arus searah mempunyai pengaturan yang sangat mudah dilakukan dalam berbagai kecepatan dan beban yang bervariasi. Pengaturan kecepatan pada motor arus searah dapat dilakukan dengan metode ward leonard. Pengaturan putaran motor ini dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan terminal yang memiliki daerah pengaturan yang luas. Dalam penelitian ini dilakukan dengan beberapa variasi tegangan dari yang terkecil 20 volt sampai yang terbesar 220 volt untuk mendapatkan hasil putaran yang juga akan bervariasi. Nilai kecepatan putaran tertinggi yang didapat sebesar 1850 rpm ketika diberi tegangan 220 volt dan kecepatan terendah sebesar 750 rpm ketika diberi tegangan 20 volt. Kata Kunci: motor dc,pengaturan kecepatan, ward leonard 1. Pendahuluan Motor DC sangat banyak digunakan dalam aplikasi industri. Penggunaan motor DC dapat dijumpai misalnya sebagai motor penggerak beban mekanik. Dalam penggunaannya diharapkan motor DC dapat bekerja secara efisien, dimana efisiennya suatu motor DC dapat kita lihat dari besarnya nilai efisiensinya. Berdasarkan hubungan rangkaian penguat medannya, salah satu jenis motor DC adalah motor DC penguatan shunt. Motor DC penguatan shunt memiliki kecepatan putaran yang konstan dan tidak tergantung pada beban. Oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti pada mesin bubut, lift, dan lainlain.motor DC yang dipergunakan di bidang industri pada umumnya memiliki kapasitas daya yang relatif besar dan disesuaikan dengan beban mekanis dan volume produksi. Untuk itu diperlukan pengaturan kecepatan motor yang baik dalam pelaksanaannya. Penelitian ini difokuskan pada pengaturan kecepatan motor dengan cara mengatur jumlah tegangan terminal yang disuplai ke motor tersebut. Analisis perhitungan yang dilakukan pada pengujian motor shunt berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik. 2. Pengaturan Kecepatan pada Motor DC Shunt dengan Metode Ward Leonard Motor arus searah (motor DC) ialah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah ( listrik DC ) menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik, dimana tenaga gerak tersebut berupa putaran dari pada rotor. Antara motor DC dan generator DC tak ada perbedaan konstruksi.pada prinsipnya, motor DC bisa dipakai sebagai generator DC, sebaliknya generator DC dapat dipakai sebagai motor DC [1]. Pada mesin arus searah terdapat kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu merupakan stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar yang merupakan rotor (bagian yang berputar) [2]. Motor arus searah bekerja berdasarkan prinsip yang menyatakan bahwa ketika kumparan yang membawa arus ditempatkan dalam medan magnet, maka kumparan mengalami gaya mekanik. Gaya mekanik ini copyright DTE FT USU 13
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari akan menimbulkan torsi yang akan membuat jangkar berputar [3]. Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetik. Ketika kumparan medan dan kumparan jangkar dihubungkan dengan suatu sumber tegangan DC maka pada kumparan medan akan mengalir arus medan (I f ) sehingga menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan jangkar menghasilkan arus jangkar (I a ), sehingga pada konduktor jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar. Fluksi jangkar ini akan memotong fluksi dari kumparan medan sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Sesuai dengan 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. Dimana : F = B.i.l (1) F = gaya yang bekerja pada konduktor (N) B = kerapatan fluks magnetic (Wb/m 2 ) i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) 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 tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan oleh motor dapat ditentukan dengan persamaan 2. Dimana : T a = F.r (2) T a = torsi jangkar (Newton-meter) r = jari-jari rotor (meter) Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka jangkar akan berputar. Prinsip kerja motor DC dapat dilihat pada Gambar 1[4]. Gambar 1. Prinsip perputaran motor DC Berdasarkan sumber tegangan penguatannya, motor DC dapat dibagi menjadi dua, yaitu motor DC penguatan bebas (penguatan luar) dan motor DC penguatan sendiri. Salah satu jenis motor DC penguatan sendiri adalah motor DC penguatan shunt [1]. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan shunt dapat dilihat pada Gambar 2 [5]: + V t I L I sh R sh R a E a - Gambar 2. Rangkaian ekivalen motor DC Penguatan shunt Dari Gambar 2 diatas, diperoleh persamaan tegangan terminal motor DC penguatan shunt seperti ditunjukkan oleh persamaan 3. V t = E a + I a. R a (3) V sh = V t = I sh. R sh (4) I L = I a + I sh (5) Dimana: = arus kumparan medan shunt (ohm) = tegangan kumparan medan shunt (volt) = tahanan medan shunt (ohm) = arus beban (amp) Pengaturan kecepatan memegang peranan penting dalam motor arus searah karena motor arus searah mempunyai karakteristik kopelkecepatan yang menguntungkan dibandingkan dengan motor lainnya[2]. Kecepatan putaran motor DC dapat diturunkan dengan persamaan 6. (6) I a + - copyright DTE FT USU 14
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari Dimana : n = jumlah putaran K =konstanta ( bergantung pada ukuran fisik motor) Vt = tegangan terminal Ra = tahanan jangkar Ia = arus jangkar = fluks magnetik Dengan persamaan diatas, dapat dilihat bahwa kecepatan putaran motor dapat diatur dengan cara mengubah : a) Tahanan jangkar (Ra) b) Fluks magnetik ( c) Tegangan terminal (Vt) Salah satu cara pengaturan kecepatan putaran motor adalah dengan metode pengaturan tegangan ( Ward Leonard System) Beberapa penggunaan motor DC memerlukan daerah pengendalian kecepatan yang luas dan tahapan yang halus. Sistem Ward Leonard atau sistem pengaturan tegangan, memberikan pengendalian yang demikian dan melibatkan generator lain untuk menggerakan motor yang kecepatannya dapat diatur [6]. Apabila daya motor besar dan dilakukan berulang-ulang maka kerugian daya menjadi besar sekali. Bila motor diinginkan tidak banyak mengalami kerugian tenaga pada waktu start (pengasutan), untuk kerja dengan perubahan kecepatan yang luas maka cara yang paling efisien adalah dengan mengubah tegangan jepit motor dengan penguat terpisah sehingga didapat fluksi magnetik yang tetap penuh untuk semua macam kecepatan. Selain diperoleh daerah pengaturan yang luas (dari tegangan jepit nol sampai tegangan penuh), pengaturan putaran halus. [1] M AC Motor Induksi sebagai motor penggerak generator G G Rg U M DC Motor M Motor yang putarannya diatur Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Ward Leonard Pengaturan putaran Ward Leonard dilaksanakan dengan mengubah tegangan jepit (U) dimana fluks magnet motor konstan. Penggerak mula yang biasanya motor induksi berkecepatan konstan dipergunakan untuk menggerakan generato (G). Perubahan tahanan medan generator G (R G ) akan merubah tegangan jepit U yang diberikan kepada motor dc (M) Rm yang diatur putarannya. Untuk mengatur putaran motor M dilakukan dengan mengubah tegangan jepit U. Untuk itu dilakukan dengan mengatur tahanan medan (R G ) pada belitan generator DC [1]. Kecepatan motor dapat disetel pada setiap kecepatan antara nol dan kecepatan maksimumnya dengan menyetel eksitasi medan generator G pada harga yang dikehendaki [1]. Jika pada motor yang sedang bekerja, tegangan tiba-tiba diturunkan sampai di bawah harga ggl lawan dari motor, arus jangkar dibalik dan motor berlaku sebagai generator, menggerakkan generator sebagai motor. Maka terjadi pengereman dinamis yang menyebabkan motor cepat berhenti. Motor dapat dibalik dengan menurunkan tegangan terminal ke nol dan membalik arus medan generator. Jika tegangan dinaikan dengan polaritas berlawanan, motor bertambah cepat dengan arah yang berlawanan. Biaya awal sistem Ward Leonard mahal dan relative tidak efisien karena adanya beberapa transformasi energi.tetapi pengendalian kecepatannya sangat efektif, yaitu respons terhadap perubahan kecepatannya cepat, daerah penyetelan kecepatannya luas, tersedianya pembalikan dan pengereman dinamis. Dalam penggunaan dimana faktorfaktor ini penting, maka kelebihan sistem Ward Leonard dapat menutupi harga yang mahal [6]. 3. Metode Penelitian Pengambilan data dalam penelitian ini dilakukan pada tanggal 31 Mei 2013 pukul 15.00 sampai dengan pukul 17.00 WIB di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU). Objek penelitian ini adalah melakukan pengukuran terhadap motor DC seri akibat pergeseran sikat dengan variable motor DC seri dan sikat pada motor. Berdasarkan tujuan dari penelitian ini maka akan dilakukan langkah-langkah sebagai berikut: a. Pengumpulan data yang akan menentukan keberhasilan dalam penelitian yaitu dengan metode dokumentasi dan metode observasi. b. Mempersiapkan alat dan bahan untuk penelitian, semua alat dan bahan yang akan digunakan harus dipersiapkan terlebih dahulu. copyright DTE FT USU 15
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari c. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan memastikan bahwa motor DC shunt dapat beroperasi dan mengatur putaran motor. d. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki validitas yang baik yang harus disetting dengan benar. e. Tahap pengambilan data yang meliputi arus dan putaran terhadap arus medan. f. Tahap analisa data yang digunakan adalah analisis matematis untuk memecahkan masalah dan kesimpulan dalam penelitian. Analisis ini mengadakan perhitunganperhitungan berdasarkan persamaanpersamaan yang berlaku didalam perhitungan kecepatan putaran motor. Dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 1. Perhitungan kecepatan putaran motor 2. Torsi 3. Daya Output P out = Adapun peralatan yang digunakan dalam melakukan pengukuran terhadap motor motor DC adalah sebagai berikut : 1. Satu unit Generator DC Penguatan Bebas AEG 2 KW 2. Satu unit Motor DC Penguatan Shunt AEG 1,2 KW 3. Satu unit Motor Induksi 3 fasa tipe rotor belitan AEG Typ C AM 112MU 4RI 2,2 KW 4. Dua unit Voltmeter DC 5. Dua unit Amperemeter DC 6. Tachometer 7. Kabel penghubung 8. Power Transformator DC (PTDC) 9. Power Transformator AC (PTAC) Adapun gambar rangkaian pengujian motor DC seri akibat pergeseran sikat dalam keadaan tanpa beban dapat ditunjukkan oleh gambar 4. P T A C S1 V1 MI GA T G n DC HB V2 A2 J K GA M DC HB 4. Hasil dan Analisis Pengaturan kecepatan motor arus searah yang dilakukan dalam percobaan ini, adalah suatu bentuk pengaturan tahanan medan pada generator yang akan merubah tegangan Vt yang akan diberikan kepada motor DC penguatan shunt. Pengaturan putaran motor ini dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan Vt yang memiliki daerah pengaturan yang cukup luas (dari tegangan nol sampai tegangan penuh). Metode ini memiliki banyak keuntungan, selain daerah pengaturannya yang cukup luas juga memiliki pengaturan putaran yang halus serta efisien karena tidak ada kerugian di tahanan asut. Akan lebih untung lagi jika diterapkan pada motor DC yang seringkali harus diasut misalnya motor untuk lift. Kerugiannya adalah biaya yang sangat tinggi akibat adanya penambahan generator dan penggeraknya. 4.1 Hasil Pengujian Pengaturan Kecepatan Motor DC Shunt Pada pengujian pengaturan kecepatan motor dc shunt ini didapat arus jangkar dan kecepatan tertinggi pada tegangan 220 volt dan arus jangkar dan kecepatan terendah pada tegangan 20 volt seperti pada Tabel 1. Tabel 1 menunjukkan hasil pengujian pengaturan kecepatan motor DC shunt. Tabel 1. Hasil Pengujian Pengaturan Kecepatan Motor DC Shunt V ac = 220 Volt R a = 3.8 (volt) (amp) (amp) (rpm) 20 0.03 1.44 750 40 0.07 1.48 1150 60 0.13 1.69 1400 80 0.16 1.78 1450 100 0.21 1.95 1500 120 0.25 2.13 1550 140 0.3 2.27 1610 160 0.36 2.4 1650 180 0.44 2.58 1700 200 0.51 2.68 1760 220 0.64 2.82 1850 A1 S2 PTDC Gambar 4. Rangkaian pengujian Dari Tabel 1 terlihat arus jangkar dan kecepatan tertinggi pada tegangan 220 volt yaitu sebesar 2.82 A dan 1850 rpm serta arus jangkar dan kecepatan terendah pada tegangan 20 volt yaitu 1.44 A dan 750 rpm. copyright DTE FT USU 16
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari 4.2 Analisis Data Dari data-data pada Tabel 1 dilakukan perhitungan untuk mendapatkan torsi dan daya keluaran untuk setiap tegangan. Dalam penelitian ini digunakan beberapa persamaanpersamaan yang berlaku didalam perhitungan motor DC shunt. Sebelum mencari besarnya torsi dan P out motor DC shunt kita tentukan dulu GGL armatur adalah sebagai berikut: = + ( ) = - ( ) Besar kopel elektromagnetik ( torsi jangkar ) adalah = Daya output,daya input dan daya rugi-rugi = 2 π N T Gambar 5. Grafik Tegangan Terminal vs Putaran Motor DC Shunt Dari gambar grafik diatas terlihat jelas bahwa kenaikan kecepatan putaran (n) dari berbagai variasi tegangan (20,40,.,220 volt) yang dilakukan pengujian dan analisis didapat kecepatan terendah pada tegangan 20 volt yaitu 750 rpm hingga ke kecepatan tertinggi yaitu pada tegangan 220 volt yaitu 1850 rpm. Serta didapat juga perubahan torsi terhadap tegangan yang dapat dilihat pada gambar 6. Dengan melakukan perhitungan seperti persamaan di atas pada tiap-tiap tegangan, maka diperoleh torsi dan P out tertinggi adalah pada tegangan 220 volt serta torsi dan P out terendah adalah pada tegangan 20 volt seperti pada tabel 2. Tabel 2. Data Hasil Analisa Pengaturan Kecepatan Motor DC Shunt Dengan Metode Ward Leonard (volt) (amp) (amp) (rpm) Torsi (N-m) (watt) 20 0.03 1.44 750 0.0193 0,0044 20,917 40 0.07 1.48 1150 0.0298 0,007 50,876 60 0.13 1.69 1400 0.0382 0,01 90,54 80 0.16 1.78 1450 0.0505 0,014 130,36 100 0.21 1.95 1500 0.0617 0,019 180,55 120 0.25 2.13 1550 0.0721 0,024 238,35 140 0.3 2.27 1610 0.0815 0,029 298,21 160 0.36 2.4 1650 0.0914 0,034 362,112 180 0.44 2.58 1700 0.1001 0,041 439,1 200 0.51 2.68 1760 0.1078 0,046 508,7 220 0.64 2.82 1850 0.1131 0,05 590,18 Sebagaimana hasil yang diperoleh diatas pada tabel 2, maka secara detail terlihat bahwa dengan bertambahnya tegangan maka kecepatan putaran motor akan ikut bertambah seperti pada gambar 5. Gambar 6. Grafik Tegangan Terminal vs Torsi Motor DC Shunt Dari gambar 6 terlihat jelas bahwa kenaikan torsi motor dari berbagai variasi tegangan (20,40,.,220 volt) yang dilakukan pengujian dan analisis didapat torsi terendah pada tegangan 20 volt yaitu 0.0044 N-m hingga ke torsi tertinggi yaitu pada tegangan 220 volt yaitu 0.05 N-m. 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan analisa perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada pengaturan kecepatan motor arus searah penguatan shunt dengan metode Ward Leonard dilakukan dengan copyright DTE FT USU 17
SINGUDA ENSIKOM VOL. 6 NO.1/Januari mengubah-ubah tegangan terminal motor arus searah. 2. Dari hasil pengujian,, maka dapat dilihat dengan bertambahnya nilai tegangan maka kecepatan putaran motor juga akan bertambah. 3. Dari hasil pengujian, kecepatan putaran tertinggi sebesar 1850 rpm ketika diberi tegangan 220 volt dan kecepatan putaran terendah sebesar 750 rpm ketika diberi tegangan 20 volt. 4. Dari analisis data, diperoleh bahwa torsi dan daya keluaran (P out ) tertinggi diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 volt yaitu sebesar 0,05 N-m dan 590,18 Watt, sedangkan torsi dan daya keluaran (P out ) terendah diperoleh pada saat tegngan terminal bernilai 20 volt yaitu sebesar 0,0044 N-m dan 20,917 Watt. 6. Daftar Pustaka [1]. Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta : 1991. [2]. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta : 2000. [3]. Mehta, V.K. and Rohit Mehta, Principles of Electrical Enginering and Electronics, S.Chand & Company Ltd, New Delhi : 2000. [4]. Hardiansyah, Rizky, Analisa Perbandingan Pengaruh Posisi Sikat Terhadap Efisiensi dan Torsi Motor DC Penguatan Kompon Panjang Dengan Motor DC Penguatan Kompon Pendek, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan : 2013. [5]. Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Djambatan, Jakarta : 2001. [6]. Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1986. copyright DTE FT USU 18