ANALISIS PENGARUH JATUH TEGANGAN TERHADAP KINERJA MOTOR ARUS SEARAH KOMPON Irpan Rosidi Tanjung, Surya Tarmizi Kasim Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: irvanbro18@gmail.com ABSTRAK Turunnya tegangan supply pada motor arus searah mempengaruhi kinerja motor. Motor arus searah kompon banyak digunakan sebagai penggerak pada dunia industri, oleh karena tulisan ini dibuat untuk mengetahui jenis motor arus searah penguatan kompon yang terbaik akibat jatuhnya tegangan supply. Tulisan ini membahas hasil penelitaian didapatkan hasil bahwa motor arus searah kompon panjang memiliki jatuh putaran yang tidak terlalu jauh akibat jatuh tegangan torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon panjang diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar 0,107 N-m dan 1450 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0820-m dan 1270 rpm sedangakan torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon pendek diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar 0,106 N-m dan 1480 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0975-m dan 1250 rpm. Kata Kunci : Motor arus searah, Tegangan, Torsi, Putaran 2. Pendahuluan Motor DC sangat banyak digunakan dalam aplikasi industri. Penggunaan motor DC dapat dijumpai misalnya sebagai penggerak beban mekanik. Motor DC yang digunakan di bidang industri pada umumnya memiliki kapasitas daya yang relatif besar dan disesuaikan dengan beban mekanis serta volume produksi. Untuk itu sebuah motor DC ditunut harus memiliki torsi dan putaran yang sesuai dengan kebutuhan. Dalam prakteknya tegangan yang disupply oleh pembangkit tidaklah sama untuk setiap waktunya. Terdapat suatu gangguan berupa tegangan jatuh pada saluran penghantar yang dapat mempengaruhi kerja berbagai peralatan listrik khususnya motor DC. Dengan demikian, perlu dilakukan pengujian untuk mengetahui pengaruh jatuh tegangan terhadap torsi dan putaran pada motor DC penguatan kompon. 3. Motor DC Kompon Motor DC adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran [1]. Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetik. Ketika kumparan medan dan kumparan jangkar dihubungkan dengan sumber tegangan DC, maka pada kumparan medan mengalir arus medan (I f) pada kumparan medan, sehingga menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar (I a), sehingga pada konduktor kumparan 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): F = B. i. l (1) Dimana: F = gaya yang bekerja pada konduktor (N) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m 2 ) i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) Gaya yang timbul pada konduktor jangkar tersebut akan menghasilkan momen puntir atau torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan Persamaan (2) berikut : T a = F. r (2) dimana : T = torsi jangkar (Newton-meter) a r = jari-jari rotor (meter) Berdasarkan sumber tegangan penguatnya, motor DC dibagi menjadi dua, yaitu motor DC penguatan terpisah (penguatan luar) dan motor 94 copyright@ DTE FT USU
DC penguatan sendiri. Salah satu jenis motor DC penguatan sendiri adalah motor DC penguatan kompon.motor DC penguatan kompon merupakan gabungan motor DC penguatan seri dan motor DC penguatan shunt. Motor DC penguatan kompon dapat dibagi menjadi dua, yaitu [2]: 1) Motor DC Penguatan Kompon Panjang Pada motor DC penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon panjang dapat dilihat pada Gambar 1 : V t = E a + I s.r s + I a.r a (4) Dimana : V t = Tegangan terminal Motor (Volt) E a = Tegangan jangakar Motor (Volt) I a = arus kumparan jangkar (Ampere) I s = arus kumparan seri (Ampere) R a = Tahanan Kumparan jangkar (Ohm) R s = Tahanan Kumparan Seri (Ohm) 1.1 Jatuh tegangan Jatuh tegangan adalah selisih antara tegangan ujung pengirim dengan tegangan ujung penerima. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut [3]: V = Vs Vr (5) dimana: V = jatuh tegangan (volt) Vs = tegangan di sisi pengirim (volt) Vr = tegangan di sisi penerima (volt) Gambar 1 Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon panjang Dari Gambar 1 di atas, diperoleh persamaan tegangan terminal motor DC penguatan kompon panjang seperti ditunjukkan oleh Persamaan (3) : V t = E a + I a (R s + R a) (3) 2) Motor DC Penguatan Kompon Pendek Pada motor DC penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon pendek dapat dilihat pada Gambar 2 : Gambar 2 Rangkaian ekivalen motor DC penguatan kompon pendek Dari Gambar 2 di atas, diperoleh persamaan tegangan terminal motor DC penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh Persamaan (4) : Atau dapat juga ditulis dalam bentuk persentase : V V(%)= x100% (6) V Dimana: V (%) = rugi tegangan dalam persen V = tegangan kerja (volt) V = rugi tegangan (volt) Untuk menghitung jatuh tegangan, diperhitungkan reaktansinya, maupun faktor dayanya yang tidak sama dengan satu. Maka tegangan yang hilang disepanjang saluran penghantar adalah [4]: V= I ( R cos + X sin ) (7) Dimana: I = arus beban (ampere) R = tahanan saluran (ohm) X = reaktansi saluran (ohm) Cos = faktor daya beban Besar gaya gerak listrik induksi pada kumparan jangkar akibat berputarnya rotor yang terletak di antara kutub magnet adalah [5]: E a = K. n. Ф (8) 95 copyright@ DTE FT USU
Atau dapat juga ditulis: n=.ф (9) Untuk motor DC kompon Panjang ditunjukkan Persamaan (10) dan untuk motor DC kompon pendek ditunjukkan Persamaan (11): E a = V t I a x (R s + R a) (10) E a = V t I s x R s I a x R a (11) Oleh karena itu persamaan persamaan (8) (9) dapat ditulis kem bali menjadi : n= n= ( ).Ф.( ).( ).Ф (12) (13) Dengan demikian, keceptan putar motor dapat diperoleh dengan mengubah-ubah flux magnit (Ф), pengaturan arus armatur (Ia) atau pengubahan tegangan terminal (Vt) [6]. Hubungan pengaruh turunnya tegangan terhadap persamaan torsi jangkar yang dihasilkan oleh motor dapat kita perhatikan pada Persamaan (12). = (14) Dilakukan subtitusi Persamaan (14) ke dalam Persamaan (11) sehingga didapatkan: = (Vt Ia x (Rs + Ra)) (15) Dari Persamaan (13) dan (15) yang ditunjukkan diatas dapat dilihat bahwa penurunan tegangan terminal pada motor DC kompon akan berpengaruh terhadap penurunan torsi dan putaran yang dihasilkan oleh motor [7]. 2. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh jatuh tegangan terhadap kinerja motor arus searah kompon. Motor yang digunakan pada pengujian ini adalah motor DC AEG tipe Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983745 dengan penguatan kompon yang terdapat di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU dengan spesifikasi sebagai berikut: V = 220 V P = 1,2 kw I L = 7,1 A I sh = 0.177 A n = 1400 rpm Jumlah Kutub = 2 Kelas Isolasi = B Tahanan Medan Shunt (J-K) Tahanan Medan Seri (E-F) Tahanan Jangkar (GA-HB) = 1,25 k = 0,6 = 3,8 2.1 Variabel yang diamati Variabel yang diamati adalah perubahan arus medan (Ish) dan arus jangakar (Ia) akibat pengaruh dari perubahan kecepatan motor arus searah. 2.2 Rangkaian Percobaan Rangkaian percobaan pada motor DC kompon panjang tanpa beban ditunjukkan pada Gambar 3 : Gambar 3 Rangkaian percobaan DC lompong panjang tanpa beban Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek tanpa beban ditunjukkan pada Gambar 5 : Gambar 5 Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek tanpa beban Rangkaian percobaan motor DC kompon panjang berbeban ditunjukkan pada Gambar 6 : 96 copyright@ DTE FT USU
3. Hasil dan Analisis Gambar 6 Rangkaian percobaan pada motor DC kompon panjang berbeban Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek berbeban ditunjukkan pada Gambar 7 : Gambar 7 Rangkaian percobaan pada motor DC kompon pendek berbeban 2.3 Prosedur Pengambilan Data Adapun prosedur pengambilan data pada Tulisan ini adalah sebagai berikut: 1. Rangkaian dibuat seperti pada gambar 4.3 dan 4.4 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum. 2. Saklar S 2 ditutup, kemudian arus medan (I f) generator dinaikkan dengan menaikkan PTDC 2 sampai pembacaan A 4 mencapai arus medan nominal generator yaitu 0,64 Ampere. 3. Saklar S1 ditutup, kemudian tegangan terminal motor dinaikkan secara perlahan dengan cara menaikkan PTDC 1 sampai V1 menunjukkan tegangan nominal motor yaitu 220 Volt sehingga motor berputar. 4. Pada saat itu dicatat nilai I L pada pembacaan A 1, I sh pada pembacaan A 2, I a pada pembacaan A 3, tegangan keluaran generator (E g) pada pembacaan V 2 serta n pada pembacaan tachometer. 5. Setelah itu tegangan terminal motor diturunkan secara bertahap sesuai dengan nilai yang telah ditentukan, kemudian dicatat nilai I L pada pembacaan A 1, I sh pada pembacaan A 2, I a pada pembacaan A 3, tegangan keluaran generator (E g) pada pembacaan V 2 serta n pada pembacaan tachometer pada setiap tahapan penurunan nilai tegangan terminalnya. 3.1 Hasil pengujian motor DC kompon tanpa beban Mesin listrik berfungsi sebagai motor listrik apabila didalamnya terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energy mekanik. Sedangkan untuk motor dc itu sendiri memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Energi mekanik yang dihasilkan oleh motor biasanya berupa torsi dan putaran. Untuk menggerakkan beban maka torsi dan putaran yang dihasilkan olehmotor harus sesuai dengan kebutuhan beban. Tabel 1 Data motor arus searah Kompon panjang tanpa beban 220 2,80 0,18 2,80 2,98 1650 215 2,73 0,18 2,73 2,91 1600 210 2,70 0,17 2,70 2,87 1600 205 2,68 0,17 2,68 2,85 1550 200 2,65 0,16 2,65 2,81 1520 195 2,60 0,16 2,60 2,76 1500 190 2,57 0,15 2,57 2,72 1450 Dari data yang ditunjukkan pada Tabel 1 didapatkan bahwa untuk penurunan nilai tegangan terminal, terjadi penurunan kecepatan motor. Tabel 2 Data motor arus searah Kompon pendek tanpa beban 220 2,83 0,19 3,02 3,02 1600 215 2,75 0,18 2,93 2,93 1570 210 2,72 0,18 2,9 2,9 1550 205 2,68 0,17 2,85 2,85 1500 200 2,64 0,17 2,81 2,81 1500 195 2,61 0,16 2,77 2,77 1450 190 2,58 0,16 2,84 2,84 1420 Penurunan kecepatan juga terjadi seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Penurunan kecepatan terjadi akibat penurunan nilai tegangan. 97 copyright@ DTE FT USU
3.2 Hasil pengujian motor DC lompong berbeban Tabel 3 Data motor arus searah Kompon panjang berbeban 220 4,94 0,18 4,94 5,12 1450 215 4,84 0,17 4,84 5,01 1420 210 4,80 0,17 4,80 4,97 1400 205 4,74 0,16 4,74 4,9 1370 200 4,70 0,16 4,70 4,86 1350 195 4,67 0,16 4,67 4,83 1300 190 4,64 0,15 4,64 4,79 1270 Sedangkan untuk keadaan motor DC kompon berbeban seperti ditunjukkan pada Tabel 3 terlihat bahwa terjadi penurunan kecepatan motor seiring dengan penurunan tegangan terminal. Tabel 4 Data motor arus searah Kompon pendek berbeban 220 2,83 0,19 3,02 3,02 1600 215 2,75 0,18 2,93 2,93 1570 210 2,72 0,18 2,9 2,9 1550 205 2,68 0,17 2,85 2,85 1500 200 2,64 0,17 2,81 2,81 1500 195 2,61 0,16 2,77 2,77 1450 190 2,58 0,16 2,84 2,84 1420 Sedangkan pada Tabel 4 terlihat terjadi penurunan kecepatan untuk motor arus searah kompon pendek berbeban saat terjadi penurunan tegangan terminal. 3.3 Analisa data Dari data pada Tabel 1, Tabel 2, Tabel 3, dan Tabel 4 dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi terbaik dari pengaruh jatuh tegangan ini digunakan beberapa persamaa yang berlaku dalam perhitungan efisiensi motor DC kompon. Sebelum mencari besarnya efisiensi motor DC kompon tentukan GGL armatur,untuk motor DC kompon Panjang ditunjukkan Persamaan (8) dan untuk motor DC kompon pendek ditunjukkan Persamaan (9). Pengujian pada kondisi berbeban digunakan untuk menentukan daya output pada kondisi berbeban yang ditunnjukkan oleh Persamaan (14) dan rugi-rugi total motor ditunjukkan Persamaan (16): P OUT = 2πnT (14) = ( ) ( ) + ( ) (15) Torsi = (16) Sehingga daya keluaran motor yang digunakan untuk melayani beban adalah : = (17) Maka efisiensi motor adalah : Pout η = x 100% Pin (18) Dengan melakukan perhitungan seperti Persamaan (18) pada setiap penambahan tahanan medan diperoleh putaran tertinggi pada motor DC kompon pendek 1480 Rpm dengan Torsi 0,106 N-M dan motor DC kompon pendek 1450 Rpm dengan Torsi 0,107 seperti ditunjukkan Tabel 5 dan Tabel 6 Tabel 5 Data hasil analisa pengaruh pengaturan kecapatan metode pengaturan fluksi pada motor DC kompon pendek Vt Ia Ish Is Il n η(%) Ta 220 4,89 0,18 5,07 5,07 1480 86,90 0,1060 215 4,79 0,18 4,97 4,97 1450 86,68 0,1055 210 4,74 0,17 4,93 4,93 1400 86,81 0,1052 205 4,70 0,17 4,87 4,87 1380 86,36 0,1040 200 4,68 0,16 4,84 4,84 1350 86,12 0,1024 195 4,66 0,16 4,82 4,82 1300 86,56 0,1014 190 4,60 0,16 4,76 4,76 1250 85,86 0,0975 Tabel 6 Data hasil analisa pengaruh pengaturan kecapatan metode pengaturan fluksi pada motor DC kompon panjang Vt Ia Ish Is Il n η(%) Ta 220 4,94 0,18 4,94 5,12 1450 86,80 0,1070 215 4,84 0,17 4,84 5,01 1420 86,43 0,1050 210 4,80 0,17 4,80 4,97 1400 86,80 0,1030 205 4,74 0,16 4,74 4,9 1370 86,80 0,1010 200 4,70 0,16 4,70 4,86 1350 86,70 0,0995 195 4,67 0,16 4,67 4,83 1300 86,33 0,0990 190 4,64 0,15 4,64 4,79 1270 86,40 0.0820 Pengaruh jatuh tegangan terhadap kinerja motor arus searah kompon dapat dilihat pada Gambar 8, Gambar 9 dan Gambar 10 : 98 copyright@ DTE FT USU
1500 1400 1300 1200 1100 190 195 200 205 210 215 220 Gambar 8 Grafik perbandingan pengaruh jatuh tegangan terhadap putaran Gambar 8 menunjukkan bahwa motor arus searah kompon panjang (merah) memiliki jatuh putaran yg lebih baik dibanding kompon pendek. 0.108 0.106 0.104 0.102 0.1 0.098 0.096 0.094 0.092 Gambar 9 Grafik pengaruh jatuh tegangan terhadap torsi pada motor arus searah kompon panjang Gambar 9 menunjukkan bahwa jatuh tegangan mengakibatkan nilai torsi menurun, pada tegangan terendah 190 Volt didapat torsi sebesar 0,0820 N-M. 0.15 0.1 0.05 0 Kompon Panjang 190 195 200 205 210 215 220 kompon Pendek Kompon Panjang 190 195 200 205 210 215 220 Gambar 10 Grafik pengaruh jatuh tegangan terhadap torsi pada motor arus searah kompon pendek pada tegangan terendah 190 Volt didapat torsi sebesar 0,0975 N-M. 4. Kesimpulan Berdasarkan analisis disimpulkan sebagai berikut: 2. Torsi dan putaran pada motor arus searah penguatan kompon akan menurun seiring dengan turunnya tegangan yang di supply ke terminal motor. 3. torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon pendek diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar 0,106 N-m dan 1480 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0975-m dan 1250 rpm. 4. Torsi dan putaran tertinggi pada motor arus searah kompon panjang diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 220 Volt yaitu sebesar0,107 N-m dan1450 rpm sedangkan torsi dan putaran terendah diperoleh pada saat tegangan terminal bernilai 190 Volt yaitu sebesar 0,0820-m dan 1270 rpm. 5. Perubahan tegangan terminal tidak berdampak signifikan pada efisiensi motor arus searah kompon. Referensi [1] Bimbra, P.S, Generalized Circuit Theory of Electrical Machines, Khanna Publisher, India, 1975. [2] Theraja, B.L. & Theraja, A.K, A Text Book of Electrical Technology, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001. [3] Theodore, Wildi, Electrical Machine Drives and Power Systems, Prentice Hall Internasional, Liverpool, 1983. [4] Sawhney, A.K, Electrical Machine Design, Dhanpat Rai and sons, Patiala,1970. [5] Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988. [6] Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Djambatan, Jakarta, 2001. [7] Gonen, Turan, Electric Power Distribution System Engineering, McGraw-Hill, Inc., New York, 1986. Gambar 10 menunjukkan bahwa jatuh tegangan mengakibatkan nilai torsi menurun, 99 copyright@ DTE FT USU