Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) STUDI TENTANG PENGARUH PEMBEBANAN STATIS DAN PERUBAHAN TEGANGAN INPUT MOTOR DC PENGUATAN SHUNT TERHADAP ARUS JANGKAR Oleh : Agus Raikhani,Khumaidi Program Studi Teknik Elektro Universitas Darul Ulum Jombang ABSTRAK Mesin listrik merupakan peralatan yang banyak dipakai manusia sekarang ini, hampir seluruh peralatan baik industri maupun rumah tangga tidak bisa dilepaskan dari bantuan motor listrik. Motor listrik DC merupakan alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Pengoperasian motor arus searah secara umum sangat mudah pelaksanaannya sehingga masih banyak industri yang menggunakannya, dan mudah dalam pemeliharaannya. Pengaturan kecepatan motor DC sangat diperlukan untuk berbagai keperluan. Untuk kelancaran penggunaan motor DC di industri, maka motor diatur dengan menggunakan peralatan mekanis, yang mana sekarang banyak digunakan peralatan elektronika yang berfungsi sebagai pengganti komponen yang yang bersifat mekanis. Dalam mengatur kecepatan putar motor arus searah ada tiga metode yang dipergunakan yaitu dengan mengatur tegangan jepit ( Vt ), mengatur fluksi ( φ ) dan mengatur tahanan jangkar ( Ra ). Pemahaman terhadap proses mengatur kecepatan putaran motor arus searah sangat penting untuk memberi dasar pada mahasiswa agar bisa dikembangkan pada masa yang akan datang. Oleh sebab penelitian ini akan banyak membahas secara manual pengaruh pembebanan dan variasi tegangan pada motor terhadap arus jangkar. Dan hasil penelitian ini menunjukkan hasil penelitian tentang pengaruh kecepatan motor dan arus jangkar pada motor arus searah penguatan shunt dengan beban statis dan variasi tegangan.penelitian ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik Universitas Darul Ulum. Keyword: Motor DC, Shunt, Arus jangkar 1. PENDAHULUAN Penggunaan Motor arus searah (motor DC) untuk membantu manusia telah ada selama lebih dari seabad. Pemanfaatan motor DC untuk berbagai keperluan telah membawa perubahan besar dalam dunia industri. Motor DC pada saat sekarang banyak menggunaka Silicon Controller Rectifier yang digunakan untuk memfasilitasi pengaturan kecepatan pada motor. Mesin listrik dapat berfungsi sebagai motor listrik apabila didalam motor listrik tersebut terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor dan mengangkat bahan. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik terkadang disebut kuda kerja nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. 1
JURNAL INTAKE---- Vol. 2, Nomor 2, Oktober 2011 Motor DC itu memerlukan suplai tegangan searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor DC kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Motor DC sering dimanfaatkan sebagai penggerak pintu geser otomatis dan dalam rangkaian robot sederhana dan memiliki manfaat yang sangat banyak dalam kehidupan seharihari dan dalam dunia industri. Motor DC memudahkan pekerjaan sehingga proses industri dapat berjalan efisien. Semakin berkembang industry, maka akan semakin banyak mesin yang digunakan. Semakin banyak mesin yang digunakan, maka semakin banyak penggunaan motor DC. Oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui dan mengerti pengertian motor DC, prinsip kerja, jenis-jenis motor DC, aplikasi dan perhitungan motor DC.oleh sebab itu penulis tertrik untuk meneliti pengaruh pembebanan statis dan variasi tegangan motor DC pengaruhnya terhadap arus jangkar motor. 2. KAJIAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Motor DC Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut kuda kerja nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. Gambar 2.1 Motor D.C Sederhana Sumber tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet 2
Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) 2.2 Interaksi medan magnet motor arus searah Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor. Gambar 2.2 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor. Aturan Genggaman Tangan Kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks. Gambar 3 menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karena bentuk U. Gambar 2.3 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor. Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo. Gambar2.4 Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub. Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub utara dan selatan yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet kutub. Lihat gambar 5. Gambar 2.5 Reaksi garis fluks. 3
JURNAL INTAKE---- Vol. 2, Nomor 2, Oktober 2011 Lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan (looped conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung B. Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak ke atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan arah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di atas konduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar dari medan yang kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo berputar searah jarum jam, 2.3 Konstruksi Motor Arus Searah Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi atas dua bagian yaitu bagian yang diam disebut stator dan bagian yangbergerak/berputar disebut rotor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.1.. Gambar 2.6 Konstruksi Motor Arus Searah 2.4 Prinsip Kerja Motor Arus Searah Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet di sekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti diperlihatkan pada Gambar dibawah. 4
Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) (a) (b) (c) Gambar 2.7 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet Pada Gambar diatas.a menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus listrik menghasilkan medan magnet disekelilingnya. Arah medan magnet yang dihasilkan oleh konduktor dapat diperoleh dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada konduktor. Sedangkan Gambar 2.7.b menunjukkan sebuah medan magnet yang diakibatkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan. Arah medan magnet adalah dari kutub utara menuju kutub selatan. Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan di dalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.c. Daerah di atas konduktor, medan yang ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama dengan medan utama. Sementara di bawahnya, garis-garis magnet dari konduktor arahnya berlawanan dengan dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi kerapatan fluksi di bawah konduktor. Dalam keadaan ini, fluksi di daerah di atas konduktor yang kerapatannyabertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untukmengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gayaberupa dorongan ke arah bawah. Begitu juga halnya bila arah arus dalamkonduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada di bawah konduktor akanbertambah sedangkan kerapatan fluksi di atas konduktor berkurang. Sehinggakonduktor akan mendapatkan gaya tolak ke arah atas. Konduktor yang mengalirkan arus dalam medan magnet cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini: Gambar 2.8 Prinsip perputaran motor dc Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan,mengalir arus medan If pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehinggamenghasilkan fluksi magnet yang 5
JURNAL INTAKE---- Vol. 2, Nomor 2, Oktober 2011 arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan, padakumparan jangkar mengalir arus jangkar Ia. Arus yang mengalir pada konduktor-konduktorkumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksijangkar ini memotong fluksi dari kedua kutub medan, sehingga menyebabkanperubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkarmengalami gaya sehingga menimbulkan torsi. Besarnya gaya Lorentz (F) dapat ditulis: F = B. I. L... (2.1) Dimana : F = gaya Lorentz [ Newton ] I = arus [ ampere] L = panjang penghantar [meter] B = Rapat fluksi [ Weber/m² ] Sedangkan Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan: T = F.r... ( 2.2 ) Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar daripada torsi beban maka motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:... ( 2.3 ) K =... ( 2.4 ) Dimana : T = torsi [ N-m ] r = jari-jari rotor [ m ] K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor) Q= fluksi setiap kutub Ia = arus jangkar [ A ] p = jumlah kutub z = jumlah konduktor a = cabang parallel 2.5 Reaksi Jangkar Pengaruh ggm jangkar pada distribusi fluksi medan utama di celah udara disebut reaksi jangkar. Ggm jangkar akan menghasilkan dua pengaruh yang tidak diinginkan pada fluksi medan utama yaitu : a. Reduksi jala-jala pada fluksi medan utama masing-masing kutub b. Distorsi gelombang fluksi medan utama masing-masing kutub sepanjang celah udara. Reduksi dalam fluksi utama untuk masing-masing kutub mengurangi tegangan utama dan torsi yang dihasilkan, dimana distorsi fluksi medan utama mempengaruhi batasan keberhasilan komutasi dalam mesin arus searah. Gambar dibawah memperlihatkan jalur fluksi untuk kutub utama dari mesin arus searah dua kutub tanpa beban yaitu tanpa arus jangkar. Bila mesin arus searah dibebani, maka arus akan mengalir di dalam kumparan jangkar. Arus ini terlihat dalam Gambar 9(a) oleh dot pada kutub S (selatan) dan cross padakutub U (utara). Arus jangkar ini membentuk fluksi jangkar seperti terlihat dalam 9(b). Jika mesin arus searah dari Gambar 9(c) bekerja sebagai motor, maka jangkar haruslah berputar berlawanan arah dengan jarum jam, karena kutub U dan S dari medan utama yang harus menarik kutub S, U yang dihasilkan oleh jangkar. 6
Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) Gambar 2.9 Ilustrasi daerah distribusi dari (a) fluksi kutub medan (b)fluksi jangkar (c) Resultan dari kedua fluksi. Gambar2.10 Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar Akibat pelemahan fluks ini pada motor arus searah efek yang ditimbulkan menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah khususnya motor arus searah paralel akan demikian cepatnya hingga tak terkendali. 2.6 Motor Arus Searah Penguatan Shunt 1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt Gambar 11. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt 7
JURNAL INTAKE---- Vol. 2, Nomor 2, Oktober 2011 Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt Vt = Ea + Ia.Ra.....(2.5) Vsh = Vt = Ish. Rsh.........(2.6) IL = Ia + Ish...... (2.7) dimana : Ish = arus kumparan medan shunt [ Ohm ]. Vsh = tegangan terminal medan motor arus searah [ Volt ]. Rsh = tahanan medan shunt [ Ohm ]. IL = arus beban [ Amp ]. 3. METODOLOGI 3.1 Peralatan Pengujian. Percobaan yang akan dilaksanakan menggunakan komponen dan peralatan antara lain : Machines Controlled Panel Berupa komponen elektronika untuk digunakan dalam penelitian ini digunakan komponenkomponen sebagai berikut : Terdiri dari alat ukur dan catu daya sebagai berikut : - 1 unit Power Supply AC/DC - 1 Unit Variable resistor 0-25 ohm - 1 Unit Voltmeter DC 0-250 Volt - 2 Unit Ampermeter DC 0-10 A dan 0-5 Ampere - 1 Unit Voltmeter AC 0-500 Volt - 1 Unit Ampermeter AC 0-10 Amper Peralatan yang dipakai, Motor DC, Alat alat ukur tagangan dan arus, beban, Tachometer,kit praktikum, kabel, dan kit praktikum. - Meliputi - Motor DC Type DDHz - VT = 190 Volt DC - I = 4,8 A - Klas = B - Spesifikasi motor 6304zz /6203zz - Tahanan medan = 700 Ohm - Tahanan jangkar = 2,5 ohm - Dioda penyearah ( rectifier ) 4. ANALISA DAN HASIL Berdasarkan hasil pengujian yang dilakukan didalam laboratorium Mesin- mesin listrik Fakultas Teknik Universitas Darul Ulum Jombang, maka didapatkan data sebagai berikut dibawah : Tabel 4.1 dibawah merupakan hasil pengukuran motor DC dibebani dengan beban statis 1 kg dengan tegangan input berubah ubah No Beban 1 kg Tegangan I (Amp) Kecepatan / Rpm 1 1 kg 100 volt 2.81 A 2 1 kg 110 volt 3.00 A 1211 3 1 kg 120 volt 3.10 A 4 1 kg 130 volt 3.17 A 1314 5 1 kg 140 volt 3.40 A 1366 6 1 kg 150 volt 3.22 A 1470 7 1 kg 160 volt 3.14 A 8 1 kg 170 volt 3.30 A 1585 9 1 kg 180 volt 3.32 A 1671 8
Kecepatan/RPM Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) 10 1 kg 190 volt 3.37 A 1755 Table 4.2 Hubungan antara Tegangan input motor DC dengan Kecepatan No Tegangan Kecepatan / RPM No Tegangan Kecepatan / RPM 1 100 volt 6 150 volt 1470 2 110 volt 1211 7 160 volt 3 120 volt 8 170 volt 1585 4 130 volt 1314 9 180 volt 1671 5 140 volt 1366 10 190 volt 1755 Dari hasil percobaan didapat data bahwa kenaikan tegangan input berpengaruh terhadap kecepatan putar motor dalam keadaan berbeban, dimulai dari tegangan input 100 V dengan kecepatan putar Rpm sampai dengan tegangan input 190 V dengan kecepatan putar 1755 rpm.hal ini sesuai dengan : Volt, bahwa harga putaran ( N ) akan berubah seiring dengan perubahan tegangan input Sementara untuk grafik dari data table diatas, bisa diperlihatkan pada gambar dibawah : 1724 1674 1624 1574 1474 1424 1374 1324 1224 1174 Grafik Tegangan Vs Rpm 1755 1671 1585 1470 1366 1314 1211 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Tegangan Gambar 4.1. Hubungan Tegangan dan kecepatan Sementara untuk mengetahui hubungan antara arus jangkar ( Ia) dengan Putaran ( N ) dapat dialihat pada table dibawah. Harga Torsi Jangkar = C ф Ia, dan kenaikan tegangan akan menyebabkan harga Ia juga akan semakin naik, dimana pada motor Dc. Vt = Eb + Ia Ra.Volt 9
Kecepatan/RPM JURNAL INTAKE---- Vol. 2, Nomor 2, Oktober 2011 Pengaruh pembebanan terhadap kenaikan arus jangkar melalui persamaan. Ie Ra Eb Rsh Vt VT = Eb + Ia. Ra VT = en +Ia Ra Tabel 4.3 Hubungan antara arus input motor DC dengan Kecepatan No Kecepatan / RPM I (Amp) No Kecepatan / RPM I (Amp) 1 2.81 A 6 1470 3.22 A 2 1211 3.00 A 7 3.14 A 3 3.10 A 8 1585 3.30 A 4 1314 3.17 A 9 1671 3.32 A 5 1366 3.40 A 10 1755 3.37 A Grafik Tegangan Vs I (Amp) 1724 1674 1624 1574 1474 1424 1374 1324 1224 1174 1755 1671 1585 1470 1366 1314 1211 2.81 3.00 3.10 3.17 3.40 3.22 3.14 3.30 3.32 3.37 I (Amp) Gambar 4.2. Hubungan kuatarus dan kecepatan 10
Kecepatan/RPM Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) Tabel 4.4.Hubungan Tegangan, arus Jangkar dan Kecepatan putar motor dengan beban statis 1,5 Kg No Beban 1 kg Tegangan Kecepatan / RPM I (Amp) 1 1.5 kg 100 volt 2.43 A 2 1.5 kg 110 volt 1211 3.51 A 3 1.5 kg 120 volt 3.54 A 4 1.5 kg 130 volt 1314 3.60 A 5 1.5 kg 140 volt 1366 3.70 A 6 1.5 kg 150 volt 1470 3.50 A 7 1.5 kg 160 volt 3.60 A 8 1.5 kg 170 volt 1585 3.70 A 9 1.5 kg 180 volt 1671 3.77 A 10 1.5 kg 190 volt 1755 3.87 A Tabe 4.5 lhubungan antara Tegangan input dengan Kecepatan putar Motor Dc, denga beban statis 1,5 Kg No Tegangan Kecepatan / RPM No Tegangan Kecepatan / RPM 1 100 volt 6 150 volt 1470 2 110 volt 1211 7 160 volt 3 120 volt 8 170 volt 1585 4 130 volt 1314 9 180 volt 1671 5 140 volt 1366 10 190 volt 1755 Sedangkan grafik hubungan antara tegangan dan kecepatan putar motor Dc pada beban 1,5 Kg adalah sebagai berikut : 1724 1674 1624 1574 1474 1424 1374 1324 1224 1174 Grafik Tegangan Vs Rpm 1755 1671 1585 1470 1366 1314 1211 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Tegangan Gambar 4.3 Grafik hubungan tegangan dan kcepatan 11
Kecepatan/RPM JURNAL INTAKE---- Vol. 2, Nomor 2, Oktober 2011 Tabel 3.6 Hubungan anatar Arus Jangkar ( Ia ) dengan Putaran ( Rpm ) No Kecepatan / RPM I (Amp) 1 2.43 A 2 1211 3.51 A 3 3.54 A 4 1314 3.60 A 5 1366 3.70 A 6 1470 3.50 A 7 3.60 A 8 1585 3.70 A 9 1671 3.77 A 10 1755 3.87 A Grafik Putaran Vs I (Amp) 1724 1674 1624 1574 1474 1424 1374 1324 1224 1174 1755 1671 1585 1470 1366 1314 1211 2.43 3.51 3.54 3.60 3.70 3.50 3.60 3.70 3.77 3.87 I (Amp) 5. KESIMPULAN Dengan demikian, maka dapat disimpulkan bahwa, dengan bertambahnya beban, maka bila beban bertambah besar; akan diikuti oleh semakin besarnya arus jangka (Ia); dalam bercobaan ini hanya Ia semakin bertambah besar dengan bertambahnya kenaikan tegangan input (VT); kenaikan Ia akan membuat semakin besar ( torsi jangkar ) Ta; sehingga akan dapat dilihat grafik seperti diatas, kenaikan Ta ( torsi jangkar ) seharusnya akan menyebabkan penurunan kecepatan motor DC, namun dalam kenyataanya tidak demikian. Bilamana tegangan input dalam keadaan tetap,mungkin hal tersebut diatas bisa terjadi, tetapi karena tegangan input juga berubah, maka keadaan pembebanan motor tidak terlalu berpengaruh pada kecepatan motor, walaupun arus jangkar juga mengalami kenaikan.sehingga dikarenakan beban relatif rendah, maka grafik hubungan Ta ( torsi jangkar ) besar dan ( Rpm ) rendah tersebut tidak dapat dipenuhi. 12
Studi Tentang Pengaruh Pembebanan Statis.(Agus Raikhani) 6. DAFTAR PUSTAKA Chapman Stephen J., Electric Machinery Fundamentals, Mc. Graw-HillInternational Edition, 1999. Deshpande M.V, Electric Motors Applications AndControl,A.H.Wheeler& C.O. Private Limited, Bombay,1985. Dubey.Gopal K., Power Semiconduktor Controlled Driver,Prentice Hall,Englewood Cliffs, New Jersey,1989. Eugene C. Lister, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi keenam, Erlangga,Jakarta. Kadir Abdul., Mesin Arus Searah, Djambatan, Jakarta, 1980. Mehta V.K dan Rohit., Principles of Elektrical Mechines, S.Chand dancompany LTD, Ram Nagar New Delhi, 2002. Theraja B.L., A Text Book of Electrical Technology, Nurja Construction& Development,New Delhi, 1980. Wijaya, Mochtar, Dasar-dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, 2001. Khumaidi, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro,Universitas Darul Ulum 2012 13