ANALISIS PENGARUH BEBAN TERHADAP KARAKTERISTIK DAN EFISIENSI GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN KOMPON KUMULATIF DAN KOMPON DIFERENSIAL (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Syahrizal Lubis, Syamsul Amien Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: syahrizal_lubis90@rocketmail.com ABSTRAK Salah satu jenis generator DC yang cukup banyak digunakan adalah generator DC penguatan kompon. Berdasarkan sifat penguatnya terhadap jangkar generator kompon dibagi menjadi dua yaitu generator DC kompon kumulatif dan generator DC kompon diferensial. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal V t dan arus medan I f ketika generator dibebani. Pada tulisan ini menganalisis pengaruh beban terhadap karakteristik dan efisiensi generator DC penguatan kompon dengan menentukan nilai I f 0,01 sampai 0,17 dan I a dijaga konstan 5,0 ampere. Dari hasil pengujian, generator DC penguatan kompon kumulatif dengan nilai I f tertinggi 0,17 memiliki tegangan terminal 122 Volt dan 124 Volt, efisiensi 81,8 % dan 82,1 %, dan pada saat nilai I f terendah 0,01 memiliki tegangan terminal 9 Volt dan 10 Volt, efisiensi 28,9 % dan 31,1 %. Untuk generator DC penguatan kompon diferensial dengan nilai I f tertinggi 0,17 memiliki tegangan terminal 155 Volt dan 157 Volt, efisiensi 84,6 % dan 84,7 %, dan pada saat nilai nilai I f terendah 0,01 memiliki tegangan terminal 10 Volt, efisiensi 31,1 %. Kata Kunci: generator dc, arus medan dan tegangan terminal 1. Pendahuluan Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah (DC) dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri [2]. Generator penguatan sendiri terdiri atas generator penguatan shunt, generator penguatan seri, dan generator penguatan kompon. Generator DC penguatan kompon merupakan jenis generator DC yang lebih luas pemakaiannya dibandingkan jenis generator yang lain dan lebih efisien [4,5]. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal V t dan arus medan I f ketika generator dibebani. Pada generator DC penguatan kompon peningkatan beban pada generator akan meningkatnya arus beban (I L ) yang secara langsung akan berakibat meningkat pula arus jangkar (I a ). Peningkatan arus jangkar akan berakibat meningkatnya jatuh tegangan ( I a. (R a + R se ) ) dan arus medan (I f ) pada mesin ikut turun. Oleh karena itu tegangan terminal generator (V t ) juga akan berkurang [1,6]. Dengan demikian, perlu dilakukan berupa analisis data data yang di ambil dari laboratorium. Pengujian ini dilakukan untuk melihat pengaruh beban terhadap karakteristik dan efisiensi generator DC tersebut. 2. Karakteristik Generator DC Penguatan Kompon Dan Efisiensi Generator DC Karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal V t dan arus medan I f ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri. -1- copyright @ DTE FT USU
VT 3. Metode Penelitian I F Gambar 1 Karakteristik Berbeban Generator Kompon Secara Teoritis [1] Terlihat pada Gambar 1 karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal V t dan arus medan I f ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri [1,5]. Untuk menjelaskan efisiensi pada generator arus searah, dapat diamati melalui diagram aliran daya pada generator dc. Diagram aliran daya dapat dilihat pada Gambar 2 [3]. Gambar 2 Diagram Aliran Daya Generator DC Pada mesin DC (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang di perhitungkan, antara lain : 1. Efisiensi Mekanik = = (1) 2. Efisiensi Elektrik = = (2) 3. Efisiensi Komersial Keseluruhan = = (3) = (4) Dimana: P out = V T. I L (5) Pengambilan data dalam penelitian tulisan ini dilakukan pada tanggal 21 Februari 2014 pukul 15.00 sampai dengan pukul 18.00 WIB di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU). Langkah-langkah pada tulisan ini adalah sebagai berikut: a. Pengumpulan data yang akan menentukan keberhasilan dalam penelitian yaitu dengan metode dokumentasi dan metode observasi. b. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan memastikan bahwa generator DC dapat beroperasi dengan baik. c. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki validitas yang baik yang harus disetting dengan benar. d. Tahap pengambilan data yang meliputi beban dan arus medan terhadap tegangan. e. 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 karakteristik dan efisiensi generator. Dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 1. Perhitungan tegangan generator = ( + ) (6) 2. Efisiensi = 100% (7) =. Adapun peralatan yang digunakan pada tulisan ini adalah sebagai berikut : 1. Generator DC Type GD 110/110, 220 V / 7,1 A (Armature), 220 V / 0,17 A (Field) 1,2 kw / 1500 rpm 2. Motor DC (sebagai prime mover) Type GD 110/140, 220 V / 9,1 A (Armature), 220 V / 0,64 A (Field), 2 kw / 1500 rpm 3. PTDC 4. Digital LCR Multimeter TES 2712 5. Feedback Power Suplay PS 189 6. Tachometer 7. Kabel penghubung -2- copyright @ DTE FT USU
Adapun gambar rangkaian pengujian generator arus searah penguatan kompon dapat dilihat pada Gambar 3, 4, 5, dan 6. Gambar 3 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Kumulatif Gambar 4 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Kumulatif Gambar 5 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Diferensial Gambar 6 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Diferensial 4. Hasil dan Analisis Tujuan dilakukannya pengujian karakteristik pada tulisan ini untuk menentukan hubungan antara tegangan terminal dengan arus penguat bila arus jangkar dan putaran konstan. Dari persamaan tegangan diperoleh hubungan antara tegangan terminal dengan arus medan sebagai berikut : E a = V t + (I a R a +I L R s ) (8) Kemudian mengitung efisiensi dari generator tanpa memperhitungkan rugi-rugi dan torsi. = 100% =. 4.1 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang kumulatif kompon panjang kumulatif ini didapat tegangan Tabel 1. Tabel 1 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon panjang kumulatif Tabel 1 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Kumulatif 0.17 122 4.83 30.0 143.898 589.26 719.49 81.899 0.16 118 4.84 27.9 139.904 571.12 699.52 81.644 0.15 116 4.85 25.4 137.91 562.6 689.55 81.589 0.14 113 4.86 24.2 134.916 549.18 674.58 81.410 0.13 104 4.87 20.6 125.922 506.48 629.61 80.443 0.12 102 4.88 19.7 123.928 497.76 619.64 80.330 0.11 97 4.89 18.2 118.934 474.33 594.67 79.763-3- copyright @ DTE FT USU
0.10 87 4.9 16.8 108.94 426.3 544.7 78.263 0.09 84 4.91 16.0 105.946 412.44 529.73 77.858 0.08 78 4.92 14.4 99.952 383.76 499.76 76.788 0.07 64 4.93 11.3 85.958 315.52 429.79 73.412 0.06 `57 4.94 9.6 78.964 281.58 394.82 71.318 0.05 43 4.95 7.9 64.97 212.85 324.85 65.522 0.04 32 4.96 6.8 53.976 158.72 269.88 58.811 0.03 24 4.97 5.0 45.982 119.28 229.91 51.881 0.02 15 4.98 3.7 36.988 74.7 184.94 40.391 0.01 9 4.99 2.9 30.994 44.91 154.97 28.979 Dari Tabel 1 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 122 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 9 4.2 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek kumulatif kompon pendek kumulatif ini didapat tegangan Tabel 2. Tabel 2 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif Tabel 2 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Kumulatif 0.17 124 4.83 31.0 145.898 598.92 729.49 82.101 0.16 120 4.84 28.7 141.904 580.8 709.52 81.858 0.15 117 4.85 25.9 138.91 567.45 694.55 81.700 0.14 113 4.86 24.3 134.916 549.18 674.58 81.410 0.13 106 4.87 21.4 127.922 516.22 639.61 80.708 0.12 103 4.88 20.2 124.928 502.64 624.64 80.473 0.11 99 4.89 19.5 120.934 484.11 604.67 80.061 0.10 89 4.9 17.8 110.94 436.1 554.7 78.619 0.09 86 4.91 16.4 107.946 422.26 539.73 78.235 0.08 78 4.92 14.6 99.952 383.76 499.76 76.788 0.07 66 4.93 11.8 87.958 325.38 439.79 73.985 0.06 58 4.94 10.3 79.904 286.52 399.52 71.716 0.05 45 4.95 8.4 66.97 222.75 334.85 66.522 0.04 35 4.96 7.6 56.976 173.6 284.88 60.937 0.03 27 4.97 5.5 48.982 134.19 244.91 54.791 0.02 18 4.98 4.1 39.988 89.64 199.94 44.833 0.01 10 4.99 3.3 31.994 49.9 159.97 31.193 Dari Tabel 2 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 124 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 4.3 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang diferensial kompon panjang diferensial ini didapat tegangan Tabel 3. Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon panjang diferensial Tabel 3 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Diferensial 0.17 155 4.83 32.3 176.898 748.65 884.49 84.641 0.16 149 4.84 30.7 170.904 721.16 854.52 84.393 0.15 145 4.85 28.8 166.91 703.25 834.55 84.266 0.14 140 4.86 27.0 161.916 680.4 809.58 84.043 0.13 127 4.87 25.6 148.922 618.49 744.61 83.062 0.12 124 4.88 24.8 145.928 605.12 729.64 82.934 0.11 115 4.89 23.7 136.934 562.35 684.67 82.134 0.10 104 4.9 22.5 125.94 509.6 629.7 80.927 0.09 96 4.91 20.7 117.946 471.36 589.73 79.928 0.08 84 4.92 19.4 105.952 413.28 529.76 78.012 0.07 77 4.93 18.3 98.958 379.61 494.79 76.721 0.06 61 4.94 15.8 82.964 301.34 414.82 72.643 0.05 49 4.95 13.5 70.97 242.55 354.85 68.352 0.04 37 4.96 10.6 58.976 183.52 294.88 62.235 0.03 26 4.97 8.7 47.982 129.22 239.91 53.861 0.02 15 4.98 6.3 36.988 74.7 184.94 40.391 0.01 10 4.99 4.8 31.994 49.9 159.97 31.193 Dari Tabel 3 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 155 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 4.4 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek diferensial kompon pendek diferensial ini didapat tegangan Tabel 4. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial -4- copyright @ DTE FT USU
Tabel 4 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Diferensial 0.17 157 4.83 33.4 178.898 758.31 894.49 84.775 0.16 151 4.84 31.2 172.904 730.84 864.52 84.537 0.15 147 4.85 29.4 168.91 712.95 844.55 84.417 0.14 140 4.86 27.2 161.916 680.4 809.58 84.043 0.13 129 4.87 26.5 150.922 628.23 754.61 83.252 0.12 125 4.88 26.0 146.928 610 734.64 83.033 0.11 118 4.89 25.1 139.934 577.02 699.67 82.470 0.10 106 4.9 24.2 127.94 519.4 639.7 81.194 0.09 101 4.91 23.4 122.946 495.91 614.73 80.671 0.08 93 4.92 20.3 114.952 457.56 574.76 79.608 0.07 78 4.93 18.7 99.958 384.54 499.79 76.940 0.06 68 4.94 16.6 89.964 335.92 449.82 74.678 0.05 52 4.95 14.3 73.97 257.4 369.85 69.595 0.04 40 4.96 11.4 61.976 198.4 309.88 64.024 0.03 29 4.97 9.1 50.982 144.13 254.91 56.541 0.02 18 4.98 6.8 39.988 89.4 199.94 44.833 0.01 10 4.99 5.3 31.994 49.9 159.97 31.193 Gambar 7 Grafik Arus Medan Vs Tegangan Terminal Generator DC Penguatan Kompon Kumulatif Pada Gambar 7 terlihat kenaikan tegangan terminal seiring dengan kenaikan I f. Tegangan tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon kumulatif, terdapat pada pendek kumulatif 124 Sedangkan tegangan terendah terdapat pada pengujian kompon panjang kumulatif 122 Dari Tabel 4 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 157 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 4.5 Analisis Data Dari data-data pada Tabel 1, 2, 3 dan 4 dilakukan perhitungan untuk mendapatkan tegangan keluaran generator, P out, P in dan efisiensi. Dalam penelitian ini digunakan beberapa persamaan-persamaan yang berlaku didalam perhitungan generator DC kompon. Tegang keluaran generator. = ( + ) Daya keluaran =. Daya masukan =. (9) Efisiensi generator = 100% Gambar 8 Grafik Arus Medan Vs Tegangan Terminal Generator DC Penguatan Kompon Diferensial Pada Gambar 8 terlihat kenaikan tegangan terminal seiring dengan kenaikan I f. Tegangan tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon diferensial, terdapat pada pendek diferensial 157 Sedangkan tegangan terendah terdapat pada pengujian kompon panjang diferensial 155 Dengan melakukan perhitungan seperti persamaan di atas pada tiap-tiap tegangan, maka diperoleh E a, P out, P in dan efisiensi. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 1, 2, 3, dan 4. Berikut hasil pengujian dalam bentuk grafik, dapat dilihat pada Gambar 7, 8, 9, dan 10. -5- copyright @ DTE FT USU
Gambar 9 Grafik Arus Medan Vs Efisiensi Generator DC Penguatan Kompon Kumulatif Pada Gambar 9 terlihat kenaikan efisiensi seiring dengan kenaikan I f. Efisiensi tertinggi pada kumulatif, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif 82,1 %. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada pengujian kompon panjang kumulatif 81,8 %. sehingga nilai E a turun yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. 2. Tegangan yang dibangkitkan pada generator DC penguatan kompon diferensial lebih besar dibandingkan dengan generator DC penguatan kompon kumulatif, ini terlihat dengan arus medan yang sama. 3. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon pendek kumulatif lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon panjang kumulatif. 4. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon pendek diferensial lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon panjang diferensial. 5. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon diferensial lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon kumulatif. 6. Referensi Gambar 10 Grafik Arus Medan Vs Efisiensi Generator DC Penguatan Kompon Diferensial Pada Gambar 10 terlihat kenaikan efisiensi seiring dengan kenaikan I f. Efisiensi tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon diferensial, terdapat pada pendek diferensial 84,7 %. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada pengujian kompon panjang diferensial 84,6 %. [1]. Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta : 1991. [2]. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta : 2000. [3]. Niko ardian, Randy, Analisa Perbandingan Pengaruh Karakteristik Berbeban Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguatan Shunt, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan : 2010. [4]. Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Djambatan, Jakarta : 2001. [5]. Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1986. 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan analisa perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani, dan arus medan I f pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun -6- copyright @ DTE FT USU