Pengaruh Pengaturan Tahanan Shunt Dan Seri Terhadap Putaran Dan Efisiensi Motor Arus Searah Kompon

(1)

PENGARUH PENGATURAN TAHANAN SHUNT DAN SERI

TERHADAP PUTARAN DAN EFISIENSI MOTOR ARUS

SEARAH KOMPON

(Aplikasi pada Departemen Listrik P4TK, Medan)

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh :

NAMA : ANDRI SITORUS NIM : 080402082

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

PENGARUH PENGATURAN TAHANAN SHUNT DAN SERI

TERHADAP PUTARAN DAN EFISIENSI MOTOR ARUS

SEARAH KOMPON

Oleh : ANDRI SITORUS

NIM : 080402082

Tugas Akhir ini diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada tanggal 21 bulan Mei tahun 2014 di depan penguji : 1. Ir. Eddy Warman, M.T. : Ketua Penguji

2. Ir. Masjkur Sjani, M.T. : Anggota Penguji

Diketahui Oleh : Disetujui Oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir

(3)

ABSTRAK

Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik berupa putaran rotor. Putaran dan efisiensi merupakan besaran yang menentukan kinerja dari suatu motor arus searah. Dengan pengaturan tahanan shunt, putaran motor arus searah kompon panjang rata-rata lebih cepat 7,78% dibanding motor arus searah kompon pendek dengan tegangan terminal 50 V. Sedangkan dengan pengaturan tahanan seri, putaran motor arus searah kompon panjang rata-rata hanya lebih cepat 0,847% dibanding motor arus searah kompon pendek dengan tegangan terminal 150 V. Efisiensi motor arus searah kompon panjang lebih baik dibanding motor arus searah kompon pendek dengan pengaturan tahanan seri, sebaliknya efisiensi motor arus searah kompon pendek lebih baik dibandingkan motor arus searah kompon panjang dengan pengaturan tahanan shunt.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir ini serta shalawat beriring salam penulis sampaikan ke junjungan alam Nabi Muhammad SAW. Adapun tugas akhir ini dibuat untuk memenuhi syarat kesarjanaan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang berjudul:

PENGARUH PENGATURAN TAHANAN SHUNT DAN SERI

TERHADAP PUTARAN DAN EFISIENSI MOTOR ARUS

SEARAH KOMPON

Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Ayahanda I. Sitorus dan Ibunda tercinta (Alm.) Yusnita, sebagai motivator sejati bagi penulis, melindungi dan menyayangi serta memberikan yang terbaik bagi penulis. Saudara-saudari penulis, Ahmad Anwar Sitorus beserta istri, (Alm.) Andi Putra Sitorus, Andani Putra Sitorus dan Indah Yuliani Sitorus.

(5)

3. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T., selaku dosen wali penulis, atas bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.

4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si., selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU dan Bapak Rahmad Fauzi, S.T., M.T., selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU.

5. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada saya dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro FT USU atas bantuan administrasinya.

6. Pembimbing peneliti di P4TK Medan, Bapak Simatupang dan Bapak Efrin, beserta seluruh pegawai Departemen Listrik P4TK Medan.

7. Teman-teman TE 2008, teman kos, ibu kos beserta anak, teman-teman di Tembok Baru dan sudaro-sudaro SMA di Tanjungbalai.

8. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya.

Medan, 21 Mei 2014 Penulis

(6)

(7)

2.4 Motor Arus Searah Kompon ... 14

2.5 Efisiensi ... 20

2.6 Putaran ... 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 27

3.1 Pengukuran ... 27

3.1.1 Tempat dan Waktu ... 27

3.1.2 Alat dan Bahan ... 27

3.1.3 Rangkaian Percobaan ... 28

3.1.4 Prosedur Percobaan ... 30

3.1.5 Diagram Alur Prosedur Percobaan ... 33

BAB IV HASIL DAN ANALISA ... 35

4.1 Pengukuran Putaran Akibat Pengaturan Tahanan Seri Pada Motor Arus Searah Kompon ... 35

4.2 Pengukuran Putaran Akibat Pengaturan Tahanan Shunt Pada Motor Arus Searah Kompon ... 40

4.3 Pengukuran Efisiensi Akibat Pengaturan Tahanan Seri dan Shunt Pada Motor Arus Searah Kompon ... 45

BAB V PENUTUP ... 52

5.1 Kesimpulan ... 52

5.2 Saran ... 53

(8)

DAFTAR GAMBAR

No. Judul Halaman

2.1 Kerangka motor arus searah ... 5

2.2 Konstruksi kutub dan penempatannya ... 6

2.3 Inti jangkar yang berlapis-lapis ... 7

2.4 Penempatan sikat pada komutator ... 9

2.5 Aturan tangan kiri untuk menentukan arah medan magnet dari konduktor yang dialiri arus ... 10

2.6 Konduktor yang dialiri arus pada suatu medan magnet ... 11

2.7 Aksi motor ... 12

2.8 Prinsip kerja sederhana motor arus searah ... 13

2.9 Rangkaian ekuivalen motor arus searah kompon ... 16

2.10 Mesin arus searah dengan penguat kompon hubungan shunt pendek ... 17

2.11 Mesin arus searah dengan penguat kompon hubungan shunt panjang ... 18

2.12 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan seri pada motor arus searah kompon panjang ... 18

2.13 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan seri pada motor arus searah kompon pendek ... 19

2.14 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon panjang ... 19

2.15 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon pendek ... 20

(9)

2.17 Grafik perubahan putaran setelah pengaturan tahanan shunt dan tahanan seri tetap pada motor arus searah kompon ... 26 2.18 Grafik perubahan putaran setelah pengaturan tahanan seri dan tahanan

shunt tetap pada motor arus searah kompon ... 26 3.1 Rangkaian percobaan pengaturan tahanan seri pada motor arus searah

kompon pendek ... 28 3.2 Rangkaian percobaan pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah

kompon pendek ... 29 3.3 Rangkaian percobaan pengaturan tahanan seri pada motor arus searah

kompon panjang ... 29 3.4 Rangkaian percobaan pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah

kompon panjang ... 30 4.1 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan seri pada motor kompon

panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,25 Nm ... 37 4.2 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan seri pada motor kompon

panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,5 Nm ... 37 4.3 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan seri pada motor kompon

panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,75 Nm ... 38 4.4 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan shunt pada motor

kompon panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,25 Nm ... 42 4.5 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan shunt pada motor

kompon panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,5 Nm ... 42 4.6 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan shunt pada motor

(10)

4.7 Grafik perbandingan efisiensi dengan tahanan seri pada motor kompon panjang dan motor kompon pendek dengan beban 0,25 Nm, 0,5 Nm, dan 0,75 Nm ... 49 4.8 Grafik perbandingan efisiensi dengan tahanan shunt pada motor kompon

(11)

DAFTAR TABEL

No. Judul Halaman

4.1 Data hasil pengukuran putaran setelah pengaturan tahanan seri pada

motor kompon panjang ... 35 4.2 Data hasil pengukuran putaran setelah pengaturan tahanan seri pada

motor kompon pendek ... 35 4.3 Data hasil pengukuran putaran setelah pengaturan tahanan shunt pada

motor kompon panjang ... 40 4.4 Data hasil pengukuran putaran setelah pengaturan tahanan shunt pada

motor kompon pendek ... 40 4.5 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan seri pada

motor kompon panjang ... 45 4.6 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan seri

pada motor kompon pendek ... 46 4.7 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan shunt pada

motor kompon panjang ... 46 4.8 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan shunt pada

(12)

ABSTRAK

Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik berupa putaran rotor. Putaran dan efisiensi merupakan besaran yang menentukan kinerja dari suatu motor arus searah. Dengan pengaturan tahanan shunt, putaran motor arus searah kompon panjang rata-rata lebih cepat 7,78% dibanding motor arus searah kompon pendek dengan tegangan terminal 50 V. Sedangkan dengan pengaturan tahanan seri, putaran motor arus searah kompon panjang rata-rata hanya lebih cepat 0,847% dibanding motor arus searah kompon pendek dengan tegangan terminal 150 V. Efisiensi motor arus searah kompon panjang lebih baik dibanding motor arus searah kompon pendek dengan pengaturan tahanan seri, sebaliknya efisiensi motor arus searah kompon pendek lebih baik dibandingkan motor arus searah kompon panjang dengan pengaturan tahanan shunt.

(13)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Suatu mesin listrik berfungsi sebagai motor listrik apabila terjadi proses konversi energi listrik menjadi energi mekanik di dalamnya. Motor arus searah adalah motor yang memerlukan suplai tegangan searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik.

Motor arus searah kompon adalah motor arus searah yang penguatan medannya diberikan oleh kumparan medan paralel sekaligus kumparan medan seri, yang mana dapat saling memperbesar (kumulatif) dan saling mengurangi (diferensial).

Pada saat motor arus searah menerima daya masukan berupa energi listrik dan menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanik, tidak seluruh daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Perbandingan antara daya keluaran dan daya masukan ini disebut efisiensi.

(14)

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut maka dibuatlah suatu perumusan masalah yang melandasi penelitian ini, yaitu:

1. Bagaimana perubahan putaran pada motor arus searah kompon setelah tahanan shunt dan tahanan seri diatur ?

2. Bagaimana perbandingan putaran pada motor arus searah kompon panjang dan kompon pendek setelah tahanan shunt dan tahanan seri diatur ?

3. Bagaimana perubahan efisiensi pada motor arus searah kompon setelah tahanan shunt dan seri diatur ?

1.3 Batasan Masalah

Untuk menghindari pembahasan yang meluas dan untuk menjaga pembahasan materi dalam tugas akhir ini lebih terarah, maka penulis menetapkan suatu batasan masalah sebagai berikut:

1. Hanya membahas efisiensi dan putaran motor arus searah kompon. 2. Tidak membahas rugi-rugi daya pada motor arus searah kompon.

3. Analisa perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Medan (P4TK Medan), Sumatera Utara.

4. Tidak membahas penurunan rumus.

(15)

1.4 Tujuan

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh pengaturan tahanan shunt dan seri terhadap putaran dan efisiensi motor arus searah kompon.

1.5 Manfaat

(16)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Motor Arus Searah

Sebuah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanik dikenal sebagai motor arus searah. Cara kerjanya berdasarkan prinsip, sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada medan magnet, konduktor akan mengalami gaya mekanik. Arah gaya ini ditunjukkan oleh aturan tangan kanan Fleming [1].

Motor arus searah jarang digunakan dalam aplikasi biasa karena semua pasokan listrik dari perusahaan listrik memasok arus bolak-balik. Namun, untuk aplikasi khusus seperti pada pabrik baja, pertambangan dan kereta listrik, ada hal yang menguntungkan untuk mengkonversi arus bolak-balik menjadi arus searah dalam rangka untuk menggunakan motor arus searah. Alasannya adalah karakteristik kecepatan/torsi motor arus searah jauh lebih unggul daripada motor arus bolak-balik. Karena itu, hal ini tidak mengejutkan untuk dicatat bahwa untuk penggerak dalam industri, motor arus searah sama populernya dengan motor induksi tiga fasa [5].

2.2 Konstruksi Motor Arus Searah [3]

Adapun konstruksi dari motor arus searah terdiri dari beberapa bagian, yaitu:

2.2.1 Badan Motor

(17)

1. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.

2. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.

Untuk mesin kecil, pertimbangan harga lebih dominan dari pada beratnya, biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang (cast iron), tetapi untuk mesin-mesin besar umumnya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau lembaran baja (rolled steel). Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti. Selain itu, rangka ini juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi, disamping kuat secara mekanik.

Biasanya pada motor terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan spesifikasi umum atau data-data teknik dari mesin, juga terdapat kotak ujung yang merupakan tempat ujung-ujung belitan penguat medan dan lilitan jangkar. Gambar 2.1 adalah contoh rangka motor arus searah.

Gambar 2.1 Kerangka motor arus searah (A. kutub dua, B. kutub empat) 2.2.2 Kutub

(18)

1. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet. 2. Sebagai pendukung secara mekanik untuk kumparan penguat

atau kumparan medan.

Inti kutub terbuat lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub dilaminasi dan dibuat atau dikeling (rivet) ke rangka mesin. Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arus searah dihasilkan oleh kutub-kutub magnet buatan dengan prinsip elektromagnetik. Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga (berbentuk bulat atau persegi) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu. Kumparan penguat medan berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetik. Gambar 2.2 adalah gambar inti kutub dan sepatu kutub.

Gambar 2.2 Konstruksi kutub dan penempatannya 2.2.3 Inti Jangkar

(19)

jangkar yang terbuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar komponen-komponen (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar, supaya GGL induksi dapat bertambah besar. Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier. Contoh sebuah inti jangkar ditunjukkan seperti pada Gambar 2.3.

Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon. Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.

Gambar 2.3 Inti jangkar yang berlapis-lapis 2.2.4 Kumparan Jangkar dan Kumparan Medan

Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi tempat terbentuknya GGL induksi. Fungsi kumparan medan ini adalah untuk membangkitkan fluksi yang akan dipotong oleh konduktor jangkar.

(20)

1. Belitan Gelung [4]

Apabila kumparan dihubungkan dan dibentuk sedemikian rupa sehingga setiap kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya, maka hubungan ini disebut belitan gelung. Misalnya, rotor dengan belitan gelung dua kutub, delapan alur dan delapan kumparan. Kumparan mempunyai dua ujung, dan setiap segmen komutator menghubungkan dua ujung kumparan, terdapatlah delapan segmen komutator yang saling terisolir.

2. Belitan Gelombang

Dalam belitan gelombang, kumparan dihubungkan serta dibentuk sedemikian rupa sehingga berbentuk gelombang. Misalnya, rotor yang mempunyai empat kutub, 21 kumparan rotor dan terdapat dua sisi kumparan di masing-masing alur. Perlu diingat bahwa untuk belitan gelombang, berapa pun jumlah kutub yang ada, jalur paralel dan sikat akan selalu berjumlah dua. Tidak demikian halnya dengan belitan gelung, yang jumlah paralelnya sebanding dengan bertambahnya jumlah kutub.

2.2.5 Komutator dan Sikat

(21)

berbentuk lempengan-lempengan (segmen komutator) yang di antaranya terdapat bahan isolasi.

Sedangkan sikat-sikat ini berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.

Disamping itu, sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik. Agar gesekan antar komutator-komutator dan sikat tidak mengakibatkan arus komutator-komutator, maka sikat harus lebih lunak dari pada komutator. Gambar 2.4 adalah contoh penempatan sikat pada komutator.

Gambar 2.4 Penempatan sikat pada komutator 2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah [2]

Ada dua kondisi yang diperlukan untuk menghasilkan gaya pada suatu konduktor.

1. Konduktor harus membawa arus.

(22)

Ketika kedua kondisi ini memenuhi, sebuah gaya akan diterapkan pada konduktor, yang akan mencoba untuk memindahkan konduktor dalam arah tegak lurus terhadap medan magnet. Ini adalah teori dasar dari semua operasi motor arus searah.

Setiap konduktor yang mengalir arus didalamnya, memiliki medan magnet di sekitarnya. Arah medan magnet ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri untuk konduktor yang membawa arus. Ketika ibu jari menunjukkan arah arusnya, maka jari-jari akan menunjukkan arah medan magnet yang dihasilkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Aturan tangan kiri untuk menentukan arah medan magnet dari konduktor yang dialiri arus

(23)

menuju halaman. Sedangkan, tanda '.' menunjukkan aliran arus yang mengalir menuju pembaca, atau keluar halaman.

Gambar 2.6 Konduktor yang dialiri arus pada suatu medan magnet Dari Gambar 2.6 di atas, konduktor di sebelah kiri, medan yang disebabkan oleh konduktor adalah dalam arah yang berlawanan dari medan magnet utama, dan karena itu, menentang dari medan utama. Di bawah konduktor di sebelah kiri, medan yang disebabkan oleh konduktor searah dengan medan utama, dan karena itu menambah medan utama. Hasil akhirnya adalah bahwa di atas konduktor medan utama melemah, atau kepadatan fluks menurun, sedangkan di bawah konduktor medan diperkuat, atau kepadatan fluks meningkat. Gaya dihasilkan pada konduktor yang menggerakkan konduktor ke arah medan yang melemah (ke atas), dan sebaliknya untuk Gambar 2.6 yang disebelah kanan (gaya akan mengarah ke bawah).

Dalam sebuah motor arus searah, konduktor akan dibentuk dalam sebuah loop sedemikian rupa sehingga dua bagian konduktor berada di medan magnet pada saat yang sama, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.7.

(24)

Ketika konduktor ditempatkan pada rotor, gaya yang diberikan pada konduktor akan menyebabkan rotor berputar searah jarum jam seperti yang ditunjukkan Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Aksi motor

(25)

Gambar 2.8 Prinsip kerja sederhana motor arus searah

Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah induksi magnetik (B) maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah [3] :

F = B.I.l (2.1)

Dimana :

F : gaya Lorentz (newton)

I : arus yang mengalir pada konduktor jangkar (ampere)

B : kerapatan fluksi (Wb/m2)

l : panjang konduktor jangkar (m)

Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan:

T = F.r (2.2)

Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:

T = K.Фm .

(26)

K =

(2.4)

Dimana :

T : torsi (Nm)

R : jari-jari rotor (m)

K : konstanta yang tergantung pada ukuran fisik motor

Ф : fluksi setiap kutub (weber)

Ia : arus jangkar (A)

P : jumlah kutub

z : jumlah konduktor

a : cabang paralel

2.4 Motor Arus Searah Kompon

Dalam hal motor arus searah kompon (motor eksitasi kompon), motor mempunyai belitan medan shunt dan belitan medan seri sekaligus. Bagian eksitasi GGM yang lebih besar biasanya diberikan oleh belitan shunt. Belitan seri bertujuan membuat fluksi medan dapat diubah dalam batas yang wajar, dalam keadaan berbeban. Belitan seri dapat dihubungkan ke belitan jangkar sehingga menghasilkan GGM yang searah dengan belitan shunt (hubungan kompon kumulatif) atau GGM yang berlawanan arah dengan belitan shunt (hubungan kompon diferensial). Mesin arus searah belitan kompon kumulatif, berlawanan dengan mesin arus searah belitan shunt, memberikan kemungkinan mengimbangi jatuh tegangan di belitan jangkar, yang juga mengatasi efek demagnetisasi dari reaksi jangkar [8].

(27)

(a) Motor arus searah kumulatif kompon panjang

(b) Motor arus searah kumulatif kompon pendek

(28)

(d) Motor arus searah diferensial kompon pendek Gambar 2.9 Rangkaian ekuivalen motor arus searah kompon

Sedangkan total gaya gerak magnet (GGM) pada mesin arus searah jenis ini:

F = Fp + Fs- Fj (2.5)

F = Fp - Fs- Fj (2.6)

F = Nfp.Ifj (2.7)

Persamaan (2.5) untuk motor kompon kumulatif, sedangkan (2.6) untuk motor kompon diferensial.

Dimana :

Fp : ggm pada kumparan medan paralel = Nfp.If (ampere-lilitan) Fs : ggm pada kumparan medan seri = Nfs.IA (ampere-lilitan) Fj : ggm pada kumparan medan jangkar (ampere-lilitan)

Ifj : arus medan akibat adanya reaksi jangkar (ampere) Sehingga didapat :

Ifj = If -

.IA - (2.8)

Ifj = If +

(29)

IA = Ifp + Ib

(2.10)

V

T

= E

A

–

I

A

.(R

A

+ R

fs

)

(2.11)

I

f

=

(2.12)

Persamaan-persamaan di atas berlaku untuk mesin arus searah kompon, baik panjang maupun pendek [6].

Pada mesin arus searah belitan kompon kumulatif, belitan medan shunt dapat dihubungkan baik secara langsung berseberangan dengan terminal jangkar (hubungan shunt pendek) maupun berseberangan dengan terminal T1 dan T2 yang menghubungkan ke rangkaian eksternal (koneksi shunt panjang). Bagian pertama ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2.10 dan bagian kedua pada Gambar 2.11. Tidak ada perbedaan yang sangat berarti diantara karakteristik pengoperasian hubungan shunt panjang dan hubungan shunt pendek [8].

(30)

Gambar 2.11 Mesin arus searah dengan penguat kompon hubungan shunt panjang

Gambar 2.12, Gambar 2.13, Gambar 2.14, dan Gambar 2.15 adalah gambar rangkaian untuk pengaturan tahanan shunt dan seri pada motor arus searah kompon panjang dan kompon pendek.

(31)

Gambar 2.13 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan seri pada motor arus searah kompon pendek

(32)

Gambar 2.15 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon pendek

2.5 Efisiensi

Pada motor listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai:

η

=

x 100 (2.13)

η

=

x 100% (2.14)

Pout =

(2.15)

Pin = Vt ( IA + Ifp ) (2.16) Sehingga efisiensi dapat dinyatakan dengan :

η =

(2.17)

(33)

Dimana :

Pin : daya masukan (watt)

Pout : daya keluaran (watt)

ΣPrugi : rugi-rugi daya total (watt)

Pada motor arus searah rugi-ruginya dapat diklasifikasikan secara umum menjadi 4 kategori :

Rugi-rugi medan (seri maupun paralel):

Ptp = If

(34)

Gambar 2.16 berikut ini adalah diagram aliran daya untuk motor arus searah:

Gambar 2.16 Diagram aliran daya motor arus searah 2.6 Putaran

Dari persamaan tegangan motor arus searah [1]:

V = Eb + Ia.Ra (2.21) Diperoleh,

Eb = V – Ia.Ra (2.22)

( ) = V – Ia.Ra (2.23)

n = –

(

)

(2.24)

n =

(

)

(2.25)

n =

(2.26)

Untuk motor arus searah kumulatif kompon panjang, dengan memperhatikan Gambar 2.9a didapat :

(35)

n =

(2.28)

Karena ϕ ~ I, maka persamaan (2.28) dapat diubah menjadi

n =

(2.29)

Untuk motor arus searah kumulatif kompon pendek, dengan memperhatikan Gambar 2.9b didapat :

Ф : fluksi yang memotong kumparan (Wb)

Z : jumlah konduktor jangkar

n : kecepatan putar jangkar (ppm)

P : jumlah kutub

A : jumlah alur arus paralel

C : konstanta (V/Wb.s)

(36)

n ~

Dari perbandingan di atas, putaran motor arus searah dapat diubah-ubah dengan cara mengatur besarnya fluksi. Di dalam metode ini, tahanan variabel (rheostat) dihubungkan secara seri dengan belitan medan shunt. Rheostat medan shunt menghasilkan arus medan shunt Ish dan juga fluksi Φ. Pada umumnya, metode ini mengizinkan untuk menaikkan kecepatan dalam rasio 1 : 3. Selain itu pengaturan kecepatan juga dapat diubah dengan cara mengubah besarnya besarnya GGL lawan Eb. Hal ini dilakukan dengan memasukkan tahanan variabel (tahanan geser) secara seri dengan tahanan jangkar. Dikarenakan terjadinya penurunan tegangan pada tahanan geser, maka GGL balik Eb menjadi berkurang, sehingga kecepatan motor pun akan berkurang. Kecepatan maksimum dapat diperoleh ketika besarnya tahanan variabel sama dengan nol [7].

(37)

Dari persamaan-persamaan di atas didapat hubungan:

Pout ~ n ~

η

~

Dan dapat disimpulkan bahwa semakin besar rugi daya, semakin kecil

efisiensi (

η

). Semakin besar putaran (n), semakin besar rugi-rugi daya, sehingga semakin kecil efisiensi (

η

). Semakin besar fluksi (

ϕ

), semakin besar rugi-rugi

daya, semakin kecil efisiensi (

η

).

Dari persamaan (2.29) jika Rfp diperbesar, maka If akan turun dan mengakibatkan IA naik, karena Rfp jauh lebih besar dari tahanan yang lain, perubahan Rfp tidak akan terlalu mempengaruhi (If + IA). Karena kenaikan IA maka,

IA (RA + Rfs) akan naik sedikit, yang mengakibatkan VT - IA(RA + Rfs) turun. Akibat dari semua perubahan ini, maka perubahan kecepatan putaran setelah perubahan tahanan shunt dapat diramalkan seperti pada Gambar 2.17. Sebaliknya jika Rfs dinaikkan, karena nilai Rfs kecil dengan penambahan tahanan yang cukup besar dibandingkan nilai awal, IA akan turun secara drastis dan If naik sedikit, sehingga (If + IA) akan turun secara drastis. Karena (RA + Rfs) naik dan IA turun sehingga

IA(RA + Rfs) akan mengalami perubahan yang tidak terlalu besar sehingga VT -

(38)

Gambar 2.17 Perubahan putaran setelah pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon

(39)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Metode yang dilakukan dalam penelitian adalah metode pengukuran. Metode pengukuran dilakukan di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Medan (P4TK Medan), Sumatera Utara, untuk mengukur putaran dan besaran-besaran yang berhubungan dengan efisiensi motor arus searah kompon setelah kumparan penguat shunt dan seri diatur tahanannya dengan nilai yang berbeda-beda. Sedangkan metode grafis dengan menggunakan program Microsoft® Excel untuk melihat perbandingan putaran dan efisiensi di antara kedua jenis motor arus searah kompon.

3.1 Pengukuran

Pada tahap ini, pengukuran dilakukan untuk mengetahui besarnya putaran dan besaran-besaran yang mempengaruhi nilai efisiensi motor arus searah setelah nilai tahanan shunt dan tahanan seri dibuat bervariasi.

3.1.1 Tempat dan Waktu

Pengukuran putaran dan besaran-besaran yang mempengaruhi nilai efisiensi motor arus searah dilakukan di Laboratorium Departemen Listrik P4TK Medan pada hari Kamis, tanggal 26 September 2013, pukul 10.00 – 15.00 WIB.

3.1.2 Alat dan Bahan

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian pengaruh pengaturan tahanan shunt dan seri terhadap putaran dan efisiensi motor arus searah kompon di Laboratorium Departemen Listrik P4TK Medan adalah sebagai berikut :

(40)

3. 2 unit amperemeter 4. 1 unit voltmeter

5. 1 unit variabel resistor dengan nilai tahanan maksimum 144Ω

6. 1 unit motor servo sebagai powder brake tipe SE 2663-60, merek Lucas-Nuelle

7. 1 unit rpm meter dan torsi meter 3.1.3 Rangkaian Percobaan

Adapun rangkaian untuk mengukur putaran dan besaran-besaran yang mempengaruhi nilai efisiensi pada penelitian ini dibagi dalam empat bagian, yaitu:

(41)

Gambar 3.2 Rangkaian percobaan pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon pendek

(42)

Gambar 3.4 Rangkaian percobaan pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon panjang

3.1.4 Prosedur Pengukuran

Pengukuran putaran dan arus dilakukan pada empat jenis motor arus searah kompon dengan pengaturan tahanan shunt dan tahanan seri. Adapun rincian besar tahanan adalah sebagai berikut:

1. 25% tahanan maksimum (36Ω) 2. 50% tahanan maksimum (72Ω) 3. 75% tahanan maksimum (108Ω) 4. 100% tahanan maksimum (144Ω)

Sedangkan prosedur percobaan pengaturan tahanan seri untuk motor arus searah kompon pendek adalah sebagai berikut:

(43)

3. Atur tegangan terminal pada motor arus searah sampai 150 V dan berikan pengereman pada powder brake sebesar 0,25 Nm.

4. Atur tahanan seri pada variabel resistor sebesar 25%, 50%, 75%, dan 100% , catat besarnya perubahan pada putaran, arus jangkar, dan arus medan pada motor arus searah kompon pendek setiap perubahan tahanan seri.

5. Lakukan pengukuran perubahan putaran, arus jangkar, dan arus medan untuk besar torsi yang lain, yaitu 0,5 Nm dan 0,75 Nm. 6. Matikan peralatan.

Prosedur percobaan pengaturan tahanan seri untuk motor arus searah kompon panjang adalah sebagai berikut:

1. Buatlah rangkaian seperti pada Gambar 3.3. 2. Nyalakan PTDC.

4. Atur tahanan seri pada variabel resistor sebesar 25%, 50%, 75%, dan 100% , catat besarnya perubahan pada putaran, arus jangkar, dan arus medan pada motor arus searah kompon panjang setiap perubahan tahanan seri.

(44)

Sedangkan prosedur percobaan pengaturan tahanan shunt untuk motor arus searah kompon pendek adalah sebagai berikut:

4. Atur tahanan seri pada variabel resistor sebesar 25%, 50%, 75%, dan 100% , catat besarnya perubahan pada putaran, arus jangkar, dan arus medan pada motor arus searah kompon pendek setiap perubahan tahanan shunt.

Prosedur percobaan pengaturan tahanan shunt untuk motor arus searah kompon panjang adalah sebagai berikut:

(45)

3.1.5 Diagram Alir Prosedur Percobaan

Diagram alir untuk prosedur percobaan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

Mulai

Buat rangkaian percobaan

Nyalakan PTDC

Atur tegangan terminal motor sebesar tegangan

nominal

Atur besar torsi pengereman

powder brake dengan nilai yang diinginkan

Atur tahanan luar sebesar 25% tahanan maksimum

(46)

T

Y

A

Apakah sesuai teori?

Perhatikan rangkaian percobaan Atur tahanan luar dengan

nilai yang lain

Lihat dan catat perubahan putaran, arus medan dan arus

jangkar

Matikan peralatan

(47)

BAB IV

HASIL DAN ANALISA

Pada bab ini akan dibahas dan dianalisa mengenai hasil pengukuran putaran dan arus untuk perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan seri dan tahanan shunt motor arus searah kompon pendek dan kompon panjang, kemudian disimulasikan menggunakan grafik dengan bantuan Microsoft® Excel.

4.1 Pengukuran Putaran Akibat Pengaturan Tahanan Seri Pada Motor Arus Searah Kompon

Pengukuran putaran akibat perubahan tahanan seri pada motor arus searah kompon dilakukan pada tanggal 26 September 2013 di Laboratorium Departemen Listrik P4TK Medan. Adapun data hasil pengukuran yang diperoleh dari pengukuran

perubahan putaran akibat pengaturan tahanan seri pada motor arus searah kompon

ditunjukkan pada Tabel 4.1 untuk motor arus searah kompon panjang dan Tabel 4.2 untuk motor arus searah kompon pendek.

(48)

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran putaran setelah pengaturan tahanan seri pada motor kompon panjang

(49)

Gambar 4.1 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan seri pada motor kompon panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,25 Nm

578

Perubahan kecepatan putaran terhadap perubahan tahanan seri untuk beban torsi 0,25Nm dan tahanan shunt konstan

Motor kompon pendek

Motor kompon panjang

(50)

Adapun kecepatan rata-rata motor setelah pengaturan besarnya tahanan seri adalah:

 Untuk motor kompon panjang

a) Beban 0,25 Nm

Motor kompon pendek

(51)

 Untuk motor kompon pendek

a) Untuk beban 0,25 Nm

n = = 1007,75 rpm

b) Untuk beban 0.5 Nm

n = = 826,25 rpm

c) Untuk beban 0,75 Nm

n = = 652 rpm

Sehingga didapat perbedaan perubahan kecepatan putaran motor kompon panjang dan motor kompon pendek untuk pengaturan tahanan seri adalah sebagai berikut:

1. Untuk beban 0,25 Nm

Δn =

= 0,25%

Δn =

= 1,57%

Δn =

(52)

4.2 Pengukuran Putaran Akibat Pengaturan Tahanan Shunt Pada Motor Arus Searah Kompon

Pengukuran putaran akibat perubahan tahanan shunt pada motor arus searah kompon dilakukan pada tanggal 26 September 2013 di Laboratorium Departemen Listrik P4TK Medan. Adapun data hasil pengukuran yang diperoleh dari pengukuran

perubahan putaran akibat pengaturan tahanan shunt pada motor arus searah kompon

ditunjukkan pada Tabel 4.3 untuk motor arus searah kompon panjang dan Tabel 4.4 untuk motor arus searah kompon pendek.

(53)

Tabel 4.3 Data hasil pengukuran putaran setelah pengaturan tahanan shunt pada motor kompon panjang

(54)

Gambar 4.4 Grafik perbandingan putaran terhadap tahanan shunt pada motor kompon panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,25 Nm

1212 ₁₂₀₈

Perubahan kecepatan putaran terhadap perubahan tahanan shunt untuk beban torsi 0,25Nm dan tahanan seri konstan

Motor kompon pendek

Motor kompon panjang

(55)

Adapun kecepatan rata-rata motor setelah pengaturan besarnya tahanan shunt adalah:

 Untuk motor kompon panjang

a) Beban 0,25 Nm

Motor kompon pendek

(56)

 Untuk motor kompon pendek

a) Untuk beban 0,25 Nm

n = = 1208,75 rpm

b) Untuk beban 0.5 Nm

n = = 951,25 rpm

c) Untuk beban 0,75 Nm

n = = 759,5 rpm

Sehingga didapat perbedaan perubahan kecepatan putaran motor kompon panjang dan motor kompon pendek untuk pengaturan tahanan seri adalah sebagai berikut:

Δn =

= 8,8%

Δn =

= 7,97%

Δn =

(57)

4.3 Pengukuran Efisiensi Akibat Pengaturan Tahanan Seri dan Shunt Pada Motor Arus Searah Kompon

Pengukuran besaran-besaran yang mempengaruhi efisiensi akibat perubahan tahanan shunt dan seri pada motor arus searah kompon dilakukan pada tanggal 26 September 2013 di Laboratorium Departemen Listrik P4TK Medan.

Untuk menghitung efisiensi motor arus searah kompon digunakan persamaan-persamaan sebagai berikut:

Untuk data pertama pada percobaan motor arus searah kompon panjang dengan pengaturan tahanan seri dengan persamaan di atas didapat efisiensi:

(58)

=

x100%

= 8,83%

Dengan bantuan perangkat lunak Microsoft® Excel didapat efisiensi untuk data percobaan lain seperti yang ditampilkan pada tabel berikut ini:

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan seri pada motor kompon panjang

Vt (V) Rs Ω Ia (A) If (A) T (Nm) n (rpm) Pin (W) Pout (W) η %

150 25% 0.705 0.46 0.25 590 174.75 15.44 8.83

150 50% 0.74 0.46 0.25 841 180.00 22.01 12.23

150 75% 0.78 0.46 0.25 1137 186.00 29.75 16.00

150 100% 0.82 0.455 0.25 1453 191.25 38.02 19.88

150 25% 0.92 0.46 0.5 312 207.00 16.33 7.89

150 50% 1 0.465 0.5 629 219.75 32.92 14.98

150 75% 1.1 0.46 0.5 1014 234.00 53.07 22.68

150 100% 1.25 0.46 0.5 1402 256.50 73.37 28.60

150 25% 1.08 0.48 0.75 63 234.00 4.95 2.11

150 50% 1.2 0.47 0.75 413 250.50 32.42 12.94

150 75% 1.28 0.46 0.75 802 261.00 62.96 24.12

(59)

Tabel 4.6 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan seri pada motor kompon pendek

Tabel 4.7 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan shunt pada motor kompon panjang

150 25% 0.7 0.48 0.25 578 177.00 15.12 8.54

150 50% 0.743 0.47 0.25 842 181.95 22.03 12.11

150 75% 0.761 0.47 0.25 1130 184.65 29.57 16.01

150 100% 0.82 0.47 0.25 1481 193.50 38.75 20.03

150 25% 0.915 0.46 0.5 295 206.25 15.44 7.49

150 50% 0.98 0.455 0.5 605 215.25 31.66 14.71

150 75% 1.18 0.46 0.5 978 246.00 51.18 20.81

150 100% 1.38 0.455 0.5 1427 275.25 74.68 27.13

150 25% 1.12 0.45 0.75 30 235.50 2.36 1.00

150 50% 1.25 0.455 0.75 362 255.75 28.42 11.11

150 75% 1.32 0.455 0.75 833 266.25 65.39 24.56

150 100% 1.4 0.455 0.75 1383 278.25 108.57 39.02

50 25% 3.19 0.124 0.25 1128 165.70 29.52 17.81

50 50% 3.22 0.136 0.25 1122 167.80 29.36 17.50

50 75% 3.4 0.148 0.25 1109 177.40 29.02 16.36

50 100% 3.67 0.168 0.25 1085 191.90 28.39 14.79

50 25% 3.45 0.123 0.5 902 178.65 47.20 26.42

50 50% 3.6 0.134 0.5 894 186.70 46.79 25.06

50 75% 3.75 0.146 0.5 883 194.80 46.21 23.72

50 100% 4 0.166 0.5 845 208.30 44.22 21.23

50 25% 3.75 0.123 0.75 741 193.65 58.17 30.04

50 50% 3.87 0.134 0.75 725 200.20 56.91 28.43

50 75% 4.03 0.145 0.75 707 208.75 55.50 26.59

(60)

Tabel 4.8 Data hasil perhitungan efisiensi setelah pengaturan tahanan shunt pada motor kompon pendek

50 25% 2.8 0.1 0.25 1212 145.00 31.71 21.87

50 50% 3 0.11 0.25 1208 155.50 31.61 20.33

50 75% 3.15 0.12 0.25 1202 163.50 31.45 19.24

50 100% 3.6 0.35 0.25 1193 197.50 31.22 15.81

50 25% 3.2 0.1 0.5 962 165.00 50.34 30.51

50 50% 3.3 0.12 0.5 958 171.00 50.14 29.32

50 75% 3.43 0.14 0.5 951 178.50 49.77 27.88

50 100% 3.6 0.134 0.5 938 186.70 49.09 26.29

50 25% 3.51 0.96 0.75 768 223.50 60.29 26.97

50 50% 3.63 0.105 0.75 765 186.75 60.05 32.16

50 75% 3.75 0.115 0.75 758 193.25 59.50 30.79

(61)

Gambar 4.7 Grafik perbandingan efisiensi dengan tahanan seri pada motor kompon panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,25Nm, 0,5Nm dan 0,75Nm

(62)

Gambar 4.8 Grafik perbandingan efisiensi dengan tahanan shunt pada motor kompon panjang dan motor kompon pendek untuk beban 0,25Nm, 0,5Nm dan 0,75Nm

(63)

(64)

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa:

1. Dengan pengaturan tahanan shunt, untuk besar tegangan masukan yang sama (50V), motor arus searah kompon panjang mempunyai kecepatan putaran yang lebih besar, 8,85% untuk beban 0,25 Nm, 7,97% untuk beban 0,5 Nm, dan 6,52% untuk beban 0,75 Nm dibanding motor arus searah kompon pendek.

2. Perubahan besarnya kecepatann putaran motor arus searah kompon panjang lebih besar dibanding motor arus serah kompon pendek dengan pengaturan tahanan shunt.

3. Dengan pengaturan tahanan seri, perbedaan kecepatan rata-rata motor arus searah kompon panjang dan motor arus searah kompon pendek sangat kecil, berkisar 0,25% untuk beban 0,25 Nm, 1,57% untuk beban 0,5 Nm, dan 0,72% untuk beban 0,75 Nm dengan besar tegangan masukan 150 V.

(65)

5.2 Saran

Dari hasil penelitian ini, penulis menyarankan beberapa saran atau pun masukan untuk penelitian selanjutnya, yaitu:

1. Untuk melakukan penelitian tentang perbandingan perubahan besaran yang lain setelah besarnya tahanan shunt dan tahanan seri diubah-ubah pada motor arus searah kompon.

(66)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Theraja, B.L. & A.K. Theraja, A Text Book of Electrical Technology,

Volume II, S. Chand & Company Ltd., New Delhi, 2000.

[2] U.S. Department of Energy, DOE Fundamentals Handbook Electrical Science, Washington, D.C., 1992.

[3] Jaya, Kaban, Skripsi – Studi Penentuan Rugi-Rugi Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek Dengan Menggunakan Metode Perlambatan (Retardation Test), Universitas Sumatera Utara, 2011.

[4] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Edisi Kelima, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995.

[5] Mehta, V.K. & Rohit Mehta, Principal of Electrical Machines, S. Chand & Company Ltd, New Delhi, 2002.

[6] Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, Jakarta, 2001.

[7] Nasution, Abdul Rahman Hakim, Skripsi - Pengaruh Pengaturan Kecepatan Motor DC Menggunakan Pengaturan Tahanan Jangkar Terhadap Efisiensi Motor DC Shunt, Universitas Sumatera Utara, 2010.