PENGARUH PENAMBAHAN KUTUB BANTU PADA MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SERI DAN SHUNT UNTUK MEMPERKECIL RUGIRUGI (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FTUSU) Al Magrizi Fahni, Syamsul Amien Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA email: almagrizifahni91@gmail.com ABSTRAK Penggunaan motor DC akhirakhir ini mengalami perkembangan, khususnya dalam pemakaiannya sebagai motor penggerak. Terutama untuk menggerakkan beban yang berat dan bervarisasi. Oleh sebab itu, diharapkan motor DC dapat bekerja secara efisien. Pada saat motor DC dibebani, akan mengalir arus jangkar yang mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Arus jangkar yang terlalu besar akan mengakibat timbulnya rugirugi daya pada motor DC, salah satu cara untuk memperkecil rugirugi daya pada motor DC adalah dengan penambahan pada motor DC. Tulisan ini menganalisis pengaruh penambahan pada motor DC penguatan seri dan shunt untuk memperkecil rugirugi dengan menentukan nilai R L 50 ohm sampai 100 ohm dan V t dijaga konstan 65 votl. Dari hasil pengujian, motor DC penguatan seri dan shunt dengan nilai R L tertinggi 100 ohm memiliki daya masukan 308,10 watt dan 228,150 watt, daya keluaran 57,954 watt dan 55,065watt, rugirugi total 250,146 watt dan 173,085 watt, dan pada saat nila R L terendah 50 ohm memiliki daya masukan 360,750 watt dan 272,350 watt, daya keluaran 57,260 watt dan 69,291 watt, rugirugi total 303,490 watt dan 203,059 watt. Kata Kunci: motor DC, rugirugi 1. Pendahuluan Motor arus searah sering digunakan pada starter mobil, elevator, conveyer, dan sebagainya. Karena penggunaannya yang cukup luas maka kinerja motor arus searah harus baik. Pada motor arus searah, penambahan kutub bantu dalam mengantisipasi reaksi jangkar ternyata mempengaruhi rugiruginya. Maka dengan melakukan penambahan pada motor arus searah akan dapat meningkatkan performansinya, sehingga dapat kerja lebih baik. Penelitian ini difokuskan pada penambahan deanagan kondisi tanpa beban dan berbeban dengan melakukan penambahan kutub bantu untuk menentukan besar rugrugi motor. Analisis perhitungan yang dilakukan pada pengujian motor seri dan shunt dalam keadaan tanpa beban dan berbeban berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik. 2. Pada Motor Arus Searah Penguatan Seri Dan Shunt Motor arus searah (DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran. Berdasarkan fisiknya motor DC secara umum terdiri atas bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor). Stator merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan rotor merupakan tempat diletakkannya rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat [4]. 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. Jika arus jangkar tegak lurus dengan arah induksi magnetik maka besar gaya yang 68 copyright @ DTE FT USU
dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah [2] : F = B. i. l (1) Dimana : 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) Gaya yang timbul pada konduktor tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan oleh motor dapat ditentukan dengan persamaan 2. T a = F. r (2) Dimana : T a = torsi jangkar (Newtonmeter) r = jarijari rotor (meter) Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka jangkar akan berputar. Prinsip kerja motor DC dapat dilihat pada Gambar 1. Untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, pada motor DC mengalami kerugian (kehilangan). Kerugiankerugian ini disebabkan diantaranya oleh adanya pengaruh yang ditimbulkan oleh adanya [4]: a. reaksi jangkar b. inti besi c. gesekkan d. arus yang mengalir pada belitan.. Pada saat dibebani maka pada kumparan stator akan mengalir arus jangkar. Arus ini akan menimbulkan fluksi jangkar yang kan berinteraksi dengan fluksi yang dihasilkan kumparan medan motor. Akibatnya akan terjadi perubahn bentuk gelombang fluksi utama. Pengaruh reaksi jangkar akan menyebabkan terjadinya percikan bunga api pada sikatsikat motor. Hal ini akan mempengaruhi kinerja motor tersebut. Untuk mengatasi masalah ini, maka salah satu caranya adalah dengan menambahahkan pada motor DC. Penambahan kutub bantu pada motor DC dapat dilihat pada Gambar 4 [1,6]. 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. Jenis motor DC penguatan sendiri adalah motor DC penguatan seri dan shunt. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan seri dan shunt dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3 [4]. Vt IL Gambar 2 Rangkaian ekivalen motor DC penguatan seri V t Rs I S Ra Ia Ea I L I sh I a R sh R a E a Gambar 3 Rangkaian ekivalen motor DC penguatan shunt Gambar 4 Motor DC yang dilengkapi dengan Kerugiankerugian itu antara lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada belitan, rheostat dan sebagainya. Motor DC dan generator DC mempunyai tipe kerugiankerugian yang sama yaitu sebagai berikut [8]: 1. rugi Konstan 2. rugi Variabel 1. rugi konstan yaitu rugirugi di dalam motor arus searah yang nilainya selalu tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Yang termasuk ke dalam kelompok rugirugi konstan adalah : a. rugi inti yaitu rugirugi hysteresis dan arus pusar b. rugi mekanis yaitu rugirugi gesek dan angin c. rugi tembaga medan shunt. 2. rugi variabel yaitu rugirugi di dalam motor arus searah yang nilainya bervariasi terhadap arus pembebanan.yang termasuk ke dalam kelompok rugirugi ini adalah : 69 copyright @ DTE FT USU
a. rugi tembaga kumparan jangkar (I a 2 R a ) b. rugi tembaga kumparan medan seri (I a 2 R se ) c. jatuh tegangan sikat (V bd I a ) Sehingga rugirugi total di dalam motor arus searah adalah : Σ = Konstan Variabel 3. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan pada jam 15.00 sampai dengan 18.00 pada tanggal 20 Februari 2014 di Laboratorium Konversi Energi Listrik FTUSU. Berdasarkan tujuan dari penelitian ini maka dilakukan langkah langkah sebagai berikut : a. Pengumpulan data yaitu dengan metode dokumentasi dan observasi. b. Mempersiapkan alat dan bahan untuk penelitian. c. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan memastikan bahwa motor DC seri dan shunt dapat beroperasi dengan penambahan kutub bantu. d. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki validitas yang baik yang harus disetting dengan benar. e. Tahap pengambilan data yang meliputi arus dan putaran. f. Tahap analisis data dengan menggunakan analisis matematis untuk memecahkan masalah dan memperoleh kesimpulan dalam penelitian. Analisis ini adalah mengadakan perhitunganperhitungan berdasarkan persamaan yang berlaku didalam perhitungan rugirugi pada motor DC seri dan shunt. Adapun peralatan yang digunakan pada pengujian ini adalah sebagai berikut : 1. Satu unit Motor Arus Searah AEG 1,2 kw 2. Satu unit Generator Arus Searah AEG 2 kw 3. Power Supply yang terdiri dari dua unit PTDC 4. Dua unit Tahanan Geser 5. Dua buah Voltmeter 6. Enam buah Amperemeter 7. Satu buah Tachometer 8. Kabel Penghubung secukupnya Adapun rangkaian percobaan untuk pengujian pengaruh penambahan terhadap rugirugi pada motor DC seri dan shunt dapat dilihat pada Gambar 5,6,7,8,9,10,11dan 12. Gambar 5 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi tanpa beban dan tanpa Gambar 6 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi tanpa beban dengan Gambar 7 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi berbeban tanpa kutub bantu Gambar 8 Rangkaian pengujian motor DC seri pada kondisi berbeban dengan Gambar 9 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi tanpa beban dan tanpa 70 copyright @ DTE FT USU
Gambar 10 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi tanpa beban dengan Gambar 11 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi berbeban tanpa Dari Tabel 1 terlihat rugirugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 385,022 yaitu sebesar 332,930 watt. 4.2 Hasil Pengujian Motor DC seri Pada Kondisi Dengan Kutub Bantu Tabel 2 Data hasil pengujian motor DC seri pada kondisi dengan (ohm) (A) (rpm) P in Σ 100 4,74 650 308,10 250,146 57,954 90 4,79 620 311,350 253,196 58,154 80 4,90 550 318,50 260,018 58,482 70 5,09 510 330,850 272,165 58,685 60 5,16 470 335,40 276,757 58,643 50 5,55 440 360,750 303,490 57,260 Dari Tabel 2 terlihat rugirugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 303,490 yaitu sebesar 250,146 watt. 4.3 Hasil Pengujian Motor DC Shunt Pada Kondisi Tanpa Kutub Bantu Gambar 12 Rangkaian pengujian motor DC shunt pada kondisi berbeban dengan 4. Hasil dan Analisis Pengukuran Tujuan dilakukan pengujian pengaruh penambahan kutub pada tulisan ini untuk memperkecil rugirugi yang terjadi pada motor DC akibat penambahan beban. 4.1 Hasil Pengujian Motor DC seri Pada Kondisi Tanpa Kutub Bantu Tabel 1 Data hasil pengujian motor DC seri pada kondisi tanpa. (ohm) (A) (rpm) P in Σ 100 6,05 1070 393,250 332,930 60,320 90 6,10 1050 396,50 335,603 60,897 80 6,34 1000 412,10 348,739 63,361 70 6,56 960 426,40 361,226 65,174 60 6,77 920 440,050 373,543 66,507 50 6,96 850 452,40 385,022 67,378 Tabel 3 Data hasil pengujian motor DC shunt pada kondisi dengan (ohm) (A) (A) (A) (rpm) P in Σ 100 4,96 0,05 4,91 1000 322,40 265,973 56,427 90 5,28 0,05 5,23 980 343,20 278,304 64,896 80 5,38 0,05 5,33 960 349,70 282,316 67,384 70 5,58 0,05 5,53 940 362,70 290,570 72,130 60 5,89 0,05 5,84 860 382,85 303,964 78,886 50 6,30 0,05 6,25 800 409,50 316,675 92,825 Dari Tabel 3 terlihat rugirugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 316,675 yaitu sebesar 265,973 watt. 4.4 Hasil Pengujian Motor DC Shunt Pada Kondisi Dengan Kutub Bantu Tabel 3 Data hasil pengujian motor DC shunt pada kondisi dengan 71 copyright @ DTE FT USU
(ohm) (A) (A) (A) (rpm) P in Σ 100 3,51 0,05 3,46 690 228,150 173,085 55,065 90 3,84 0,05 3,79 670 249,60 186,961 62,639 80 3,87 0,05 3,82 650 251,550 188,285 63,265 70 3,92 0,05 3,87 630 254,80 190,515 64,285 60 3,98 0,05 3,93 600 258,70 193,229 65,471 50 4,19 0,05 4,14 550 272,350 203,059 69,291 Dari Tabel 4 terlihat rugirugi daya tertinggi terhadap beban yaitu sebesar 203,059 yaitu sebesar 173,085watt. 4.5 Analisis Data Berdasarkan data data yang diperoleh pada Tabel maka dilakukan perhitungan untuk mendapatkan daya input, rugirugi daya, dan daya output pada setiap beban yang diberikan. Daya input, rugirugi daya, dan daya output dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : 1. rgi tembaga pada motor DC seri P cutotal = I a 2 ( R a R s ) 2. rugi tembaga pada motor DC shunt P cutotal = ( I a ) 2 x R a ( I sh ) 2 x R sh 3. Daya input P in = V t x I L 4. rugi konstan P konstan = P in P cutotal 5. rugi total Σ = P cutotal P konstan 6. Daya output = P in Σ Setelah dilakukan perhitungan, maka diperoleh hasil perhitungan daya input, daya output dan rugirugi daya dalam keadaan berbeban yang ditunjukkan pada Tabel 1,2,3 dan 4. Berikut hasil pengujian dalam bentuk grafik, dapat dilihat pada Gambar 13,14,15,16,17 dan 18. input pada pengujian motor DC penguatan seri dengan lebih kecil yaitu 360,750 watt dibandingkan daya input motor DC penguantan seri tanpa yaitu 452,40 watt. Gambar 14 Grafik beban dengan rugirugi total motor DC penguatan seri Pada Gambar 14 terlihat penurunan rugirugi seiring dengan penambahan R L. rugirugi pada pengujian motor DC penguatan seri dengan lebih kecil yaitu 303,490 watt dibandingkan rugirugi motor DC penguantan seri tanpa yaitu 385,022 watt. Gambar 15 Grafik beban daya output motor DC penguatan seri Pada Gambar 14 terlihat penurunan daya output seiring dengan penambahan R L. Daya output pada pengujian motor DC penguatan seri dengan lebih kecil yaitu 57,260 watt dibandingkan daya output motor DC penguantan seri tanpa yaitu 67,378 watt. Gambar 16 Grafik beban dengan daya input motor DC penguatan shunt Gambar 13 Grafik beban dengan daya Input motor DC penguatan seri Pada Gambar 13 terlihat penurunan daya input seiring dengan penambahan R L. Daya Pada Gambar 16 terlihat penurunan daya input seiring dengan penambahan R L. Daya input pada pengujian motor DC penguatan shunt dengan lebih kecil yaitu 272,350 watt dibandingkan daya input motor DC penguantan shunt tanpa yaitu 409,50 watt. 72 copyright @ DTE FT USU
Gambar 17 Grafik beban dengan rugirugi total motor DC penguatan shunt Pada Gambar 17 terlihat penurunan rugirugi seiring dengan penambahan R L. rugi pada pengujian motor DC penguatan shunt dengan lebih kecil yaitu 203,059 watt dibandingkan rugirugi motor DC penguantan shunt tanpa yaitu 316,675 watt. Gambar 18 Grafik beban daya output motor DC penguatan shunt Pada Gambar 18 terlihat penurunan daya output seiring dengan penambahan R L. Daya outptu pada pengujian motor DC penguatan shunt dengan lebih kecil yaitu 69,291 watt dibandingkan daya input motor DC penguantan shunt tanpa yaitu 92,825 watt. 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil pembahasan, maka dapat dikesimpulan sebagai berikut: 1. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, putaran motor yang menggunakan lebih kecil yaitu sebesar 440 rpm dan 550 rpm dibandingkan putaran motor tanpa kutub bantu yaitu sebesar 850 rpm dan 800 rpm. Arus jangkar yang mengalir pada motor DC yang menggunakan lebih kecil dibandingkan motor DC tanpa. 2. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, arus jangkar yang mengalir pada motor yang menggunakan lebih kecil yaitu sebesar 5,55 A dan 4,14 A dibandingkan arus jangkar yang mengalir pada motor tanpa yaitu sebesar 6,96 A dan 6,25 A. 3. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, daya input motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 360,750 W dan 272,350 W dibandingkan daya input motor tanpa yaitu sebesar 452,40 W dan 409,50 W. 4. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, rugirugi total motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 303,490 W dan 203,059 W dibandingkan rugirugi total motor tanpa yaitu sebesar 385,022 W dan 316,675 W. 5. Pada saat motor DC penguatan seri dan shunt diberi beban sebesar 50 ohm, daya output motor yang menggunakan kutub bantu lebih kecil yaitu sebesar 57,260 W dan 69,291 W dibandingkan daya output motor tanpa yaitu sebesar 67,378 W dan 92,825 W. 6. Referensi [1]. Lister,Eugene C. 1988. Mesin dan Rangkaian Listrik. Edisi Keenam. Jakarta: Erlangga. [2]. Mehta, V.K. dan Rohit Mehta.2002. Principles of Electrical Machines. New Delhi: S. Chand & Company Ltd. [3]. Rijono, Yon. 1997. Dasar Teknik Tenaga Listrik. Yogyakarta : Andi. [4]. Sumanto.1991. Mesin Arus Searah. Yogyakarta: Andi Offset. [5]. Theraja, B.L. dan A.K.Theraja. 1989. A Text Book Of Electrical Technolohgy. New Delh: Nurja Construction & Development. [6]. Wijaya, Mochta.2001.DasarDasar Mesin Listrik. Jakarta: Djambatan. [7]. Zuhal.2000. DasarTeknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama. [8]. Hardiansyah, Rizky. 2013. Analisis Perbandingan Pengaruh Posisi Sikat Terhadap Efisiensi Dan Torsi Motor DC Penguatan Kompon Panjang Dengan Motor DC Penguatan Kompon Pendek. Medan : Departermen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. 73 copyright @ DTE FT USU