View of TE PENGARUH VARIASI BEBAN PADA PEMANAS INDUKSI UNTUK MENDAPATKAN PENGHEMATAN OPTIMUM

(1)

POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS Juli 2012

Pengaruh variasi beban… 43

PENGARUH VARIASI BEBAN PADA PEMANAS INDUKSI UNTUK MENDAPATKAN PENGHEMATAN OPTIMUM

Slamet Pambudi

Sfaf Pengajar - Progdi.Teknik Elektro, Akademi Teknologi Warga Surakarta

ABSTRACT

Induction cooker is a cooker with induction heating using magnetic fields. When this stove has the highest efficiency compared with other stoves that use gas, kerosene or electric heater, because the heat which is generated almost entirely absorb by the pan.

The research has the purpose of obtaining the energy efficiency of the metal which is used as a pan and to decide the magnetic field strength from the use of induction cooker. One of the way to obtain energy efficiency is the selection of metallic materials used as a pan, where the selection of an appropriate metal material will be obtained optimum efficiency. Mean while for the magnetic field strength that is generated by induction cooker, in order to know the limit of safety for the health effects of magnetic fields strength in accordance with the standards.

The test results on two metallic materials as a pan containing 1 liter of water from metal stainless steel and zinc, at a temperature of 60C shows that the energy efficiency of the pan stainless steel (80,3 %) was higher than pan zinc (74,9 %). But the magnetic field strength is generated by the pan containing 1 liter of water at a temperature of 60C, the magnetic field strength which is generated by using the pan stainless steel (1404 mA / m = 1.76 μT) is higger than the pan ingredients zinc (861 mA / m = 1.08 μT).

The higgest magnetic field strength is produced by induction heating cooker on the research is amounted to 1430 mA/m (1.79 μT) with a pan of stainless steel containing 1 liter of water. This magnetic field is still safe. According to the IRPA, INIRC and WHO standards, these restriction of magnetic field doesn’t disturb the health is 1 mT.

(2)

1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Dengan terjadinya krisis energi, maka berbagai upaya akan dilakukan untuk penghematan

energi. Diantaranya dengan

melakukan efisiensi dari suatu sistem atau perangkat yang digunakan, khususnya dalam hal penghematan energi.

Pada kompor dengan

menggunakan sistem pemanas dengan induksi yaitu suatu kawat konduktor yang dialiri arus listrik yang akan muncul garis gaya magnet dan jika kawat konduktor tersebut dibentuk suatu kumparan, kemudian didekatnya diletakkan

suatu materi yang dapat

menghantarkan listrik (umumnya logam) maka logam tersebut akan menerima efek garis gaya magnet sehingga pada logam akan mengalir arus pusar (eddy current). Karena logam yang digunakan memiliki hambatan listrik dan adanya arus yang mengalir dalam logam tersebut maka akan menghasilkan joule heating sebesar P = I2 × R, dimana P adalah daya, I untuk arus, dan R untuk hambatan. Daya inilah yang keluar sebagai panas dan proses yang berlangsung dinamai pemanasan lewat induksi.

Dengan kompor

menggunakan sistem ini, energi yang terbuang hampir tidak ada. Pengubahan energi listrik menjadi

panas, berlangsung dengan efisien

sehingga daya listrik yang

diperlukan kecil. Keunggulan lainnya, sistem pemanas dengan induksi tidak menggunakan api sehingga kemungkinan terjadi kecelakaan luka bakar yang rendah dan tingkat keamanan yang tinggi. Selain itu, proses ini tidak memanaskan udara di sekitarnya, sehingga orang yang sedang berada di dekat alat masak pemanas dengan induksi tidak akan merasa kepanasan. Melalui pengaturan jumlah arus listrik yang mengalir di

kumparan, tingkat kepanasan

pemanas dengan induksi dapat dengan mudah disesuaikan dengan panas yang dibutuhkan. Tidak

adanya proses pembakaran

menyebabkan tidak adanya risiko terjadinya kekurangan oksigen dalam ruangan.

Dari beberapa penelitian tentang pemanas dengan induksi, disebutkan bagaimana efisiensi energi dari alat tersebut dapat lebih ditingkatkan. Dalam publikasinya (30 Januari 2009), J.S Park, S.

Taniguchi dan Y.J. Park

(3)

Nabil A. Ahmed

(November 2008) dalam

prosedingnya, memfokuskan

tentang rangkaian pemanas dengan induksi-nya. Dengan eksperimen dan simulasi dibuat rangkaian High Frequency Soft Swtching Power Conversion dengan dua sistem yaitu, Pulse Width Modulation dan Pulse Density Modulation. Dengan menggunakan rangkaian diatas, diperoleh efisiensi konversi daya yang sangat besar diatas 93%.

Rangkaian series resonant inverter dengan frekuensi tinggi untuk aplikasi pemanas dengan induksi, akan diperoleh transfer daya yang maksimum dengan bentuk tegangan dan arusnya sinusoidal (Dr. P. K. Sadhu, dkk, 2004).

Pada penelitian pemanas dengan induksi yang lainnya, menyoroti pada rangkaiannya

untuk meningkatkan efisiensi

dengan menggunakan metode series resonant inverter dan

kebanyakan adalah untuk

diterapkan dengan daya besar pada skala industri.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menguji pengaruh

perubahan beban terhadap

rangkaian kompor pemanas dengan induksi. Dari hasil pengujian diharapkan dapat memberikan manfaat kepada pengguna kompor masak dengan induksi didalam memilih bahan logam tempat memasak yang tepat, sehingga

dapat diperoleh penghematan

energi dan keamanan bagi

kesehatan terhadap pengaruh

medan magnet.

1.2.Landasan Teori

1.2.1. Dasar pemanas induksi

Ada tiga faktor dasar dari pemanas induksi, yaitu induksi elektromagnetik, efek kulit dan transfer panas. Pada dasarnya cara kerja dari pemanas induksi hampir sama dengan transformator.

Pada gambar 1., merupakan

konsep dasar yang terdiri dari gulungan pemanas induktif dan arus, yang menggambarkan induksi elektromagnetik dan efek kulit.

(4)

Tujuan yang paling penting dari pemanas induksi adalah untuk

memaksimalkan pembangkitan

energi panas pada gulungan sekunder, lubang kecil pada gulungan pemanas induktif dibuat kecil dan gulungan sekunder dibuat dari bahan dengan hambatan listrik yang kecil dengan permeabilitas yang tinggi. Bahan selain logam mengurangi efisiensi energi karena bahan tersebut memiliki hambatan listrik besar dan permeabilitas yang rendah.

Pemanas dengan induksi

adalah kombinasi antara

elektromagnetik, perpindahan

panas, dan fenomena metalurgi.

1.2.1.2. Resistivitas dan Konduktivitas Listrik pada Material

Kemampuan material untuk dengan mudah menghantarkan arus

listrik ditentukan oleh

konduktivitas listrik (σ). Kebalikan

dari konduktivitas σ adalah

resistivitas listrik (ρ). Satuan untuk

ρ dan σ adalah  meter dan mho/m. Resistivitas listrik suatu logam tertentu bervariasi dengan suhu, komposisi kimia, struktur mikro logam, dan ukuran butir.

Untuk sebagian besar logam, ρ

akan naik dengan kenaikan suhu. Resistivitas dari logam murni dapat direpresentasikan sebagai fungsi

linier dari suhu (kecuali ada perubahan dalam kisi-kisi logam).

(1) dimana,

ρ0 adalah resistivitas listrik pada

suhu ruang T0

ρ(T) adalah resistivitas listrik pada suhu T

α adalah koefisien suhu dari resistivitas listrik.

Hubungan resistivitas listrik

ρ (-m) dengan resistivitas listrik R () dapat dinyatakan sebagai berikut:

(2) di mana,

l adalah panjang konduktor yang dialiri arus.

A adalah luas penampang

konduktor di mana arus mengalir melaluinya.

1.2.1.3. Permeabilitas Magnetik dan Permitivitas Relatif

µr merupakan permeabilitas

magnetik relatifyang menunjukkan

kemampuan suatu bahan (misalnya, logam) untuk melakukan fluks magnet yang lebih baik di udara atau hampa udara. Permitivitas

relatif (ε) menunjukkan

kemampuan bahan untuk

(5)

Permeabilitas magnetik

relatif memiliki efek pada semua

fenomena induksi dasar.

Permitivitas relatif tidak begitu banyak digunakan pada pemanasan induksi, tapi memainkan peran utama dalam aplikasi pemanasan dielektrik.

Nilai konstan µo = 4π x 10-7

H/m [atau Wb / (A.m)] disebut permeabilitas ruang bebas, dan konstanta εo = 8,854 x 10-12 F/m

disebut permitivitas ruang bebas. Hasil permeabilitas magnet relatif dan permeabilitas ruang bebas disebut permeabilitas µ dan sesuai dengan rasio kepadatan fluks magnetik (B) untuk intensitas medan magnet (H).

(3)

1.2.1.4. Efek Kulit ( Skin Effect )

Efek kulit adalah sesuatu hal yang penting dalam aplikasi listrik menggunakan tegangan bolak-balik (ac). Karena efek ini,

sekitar 86% daya akan

terkonsentrasi di lapisan

permukaan konduktor. Lapisan ini

disebut reference depth (δ).

Tingkat efek kulit tergantung pada frekuensi dan sifat material

(resistivitas listrik ρ dan

permeabilitas magnetik relatif µr )

pada konduktor. Akan muncul efek kulit ketika diberikan frekuensi

yang semakin tinggi atau ketika jari-jari benda kerja relatif besar.

Distribusi dari densitas arus sepanjang ketebalan benda kerja (radius) secara kasar dapat dihitung dengan persamaan

(6)

Gambar 2. Blok diagram kompor pemanas induksi.

Sumber AC disearahkan oleh rangkaian penyearah untuk memperoleh sumber DC, yang akan menjadi sumber arus DC pada rangkaian inverter frekuensi tinggi. Rangkaian inverter ini mengatur arus ke kumparan pemanas sehingga akan terbentuk medan

magnet. Jika suatu benda

konduktor diletakkan diatas medan magnet tersebut, maka akan muncul induksi tegangan dan terbentuk arus pusar (eddy current). Disini akan dibangkitkan energi panas pada benda konduktor tersebut yang dipergunakan sebagai tempat memasak.

1.2.2.1. Konverter Resonansi

Didalam sistem daya pada

kompor pemanas induksi,

digunakan rangkaian konverter resonansi untuk membuat konversi

energinya efisien dan

meminimalkan rugi-rugi rangkaian

pensaklarannya. Rangkaian pada konverter resonansi terdiri dari kapasitor, induktor dan resistor. Ada dua jenis rangkaian ini, yaitu: rangkaian resonansi seri dan rangkaian resonansi paralel.

Gambar 3. Rangkaian Resonansi

Ketika sumber daya dihubungkan ke rangkaian, energi listrik masuk pada induktor dan ditransfer ke

kapasitor persamaan (8).

Persamaan (9), merupakan

perhitungan tegangan yang masuk

ke kapasitor yang akan

dikembalikan lagi ke induktor. Resonansi akan terjadi pada saat induktor dan kapasitor saling bertukar energi. Total energi selama resonansi tidak berubah, dan memiliki nilai yang sama yaitu sebesar puncak induktor atau kapasitor.

(6)

(7) (8)

(9)

(7)

Reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif dapat dihitung dengan persamaan (11) dan persamaan (12). Untuk besar

impedansi pada rangkaian

resonansi seri dapat dihitung dengan persamaan (2.19).

(11)

(12)

(13)

Pada frekuensi resonansi, harga reaktansi induktif pada persamaan (11) dan harga reaktansi kapasitif pada persamaan (12) memiliki harga yang sama. Yaitu sebesar tegangan dari sumber daya dan arus pada rangkaian yang berada pada level yang sama. Frekuensi resonansi dapat dihitung dengan persamaan (14). Arus pada rangkaian akan mencapai puncak ketika frekuensi sumber sama dengan frekuensi resonansi dan akan turun jika frekuensi sumber lebih besar atau lebih kecil dari frekuensi resonansinya.

Hz

(14)

Nilai reaktansi pada

rangkaian disebut impedansi

khusus, dan dapat dijelaskan dengan persamaan dibawah ini:

(15)

Dan perbandingan rangkaian half-bridge resonansi seri, dapat dilihat pada persamaan dibawah:

(16)

Di kurva frekuensi

diperlihatkan hubungan antara arus (output energi) dan frekuensi sumber ketika tegangan sumber rangkaian resonansi dibuat sama. Arus dan output energi mencapai nilai maksimumnya pada frekuensi resonansi. Di daerah dimana frekuensi pensaklaran lebih rendah dari frekuensi resonansi, reaktansi

induktif terhubung langsung

dengan frekuensi pensaklaran. Menurut persamaan (12), reaktansi kapasitip merupakan kebalikannya.

Gambar 4. Kurva frekuensi.

1.2.3. Efisiensi Energi Kompor Pemanas induksi.

(8)

ratio antara energi panas yang dihasilkan dengan energi input listrik yang digunakan.

Untuk menghitung efisiensi energi, digunakan persamaan sebagai diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram zat itu sebanyak 1C. Untuk

Untuk air, panas jenisnya sebesar:

(19)

2. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Dengan menggunakan

persamaan (17), dapat dihitung energi masukan kompor induksi dengan tempat memasak bahan logam seng yang berisi 1 liter air pada saat ΔT terukur sebesar 46,42 detik (pada tabel 2.2) adalah: Qin = 220,1 x 5,80 x 0,99 x

46,42

= 58666,25516 Joule = 58,67 kjoule

Sedangkan energi keluaran pada kompor induksi dengan tempat memasak menggunakan bahan logam seng, data pengukuran

yang dipergunakan untuk

perhitungan adalah Δt (C). Pada

percobaan penelitian, tempat

memasak dengan bahan logam seng, diisi dengan 1 liter air (1 liter air  1 kg). Suhu awal air (t1)

sebesar 30C. Sebelum mencari

energi keluarannya, terlebih dahulu dicari kalor jenis airnya. Dengan menggunakan persamaan (18) dapat dicari kalor jenis air pada suhu 40C (t2) sebagai berikut:

= 0,99733232 kal

= 4,186 x 0,99733232 Joule,

(9)

= 4,174833092 Joule dengan,

mair = 1 liter  1000 gram Δt = t2 – t1 = 40C - 30C = 10C

maka dapat dihitung besarnya energi keluarannya:

Qout = 1000 x 4,174833092 x

10

= 41748,33092 Joule = 41,75 kJoule

Dari perhitungan diatas, maka efisiensi energi pada kompor induksi dengan beban bahan logam seng yang berisi 1 liter air dengan

Pengukuran parameter dengan keadaan awal sebagai berikut:

a) Volume air yang diberikan di

Pengukuran parameter pada tabel mulai dilakukan pada saat suhu air di tempat memasak mencapai 30C.

Tabel 2.1. Hasil pengukuran dan perhitungan karakter kompor induksi dengan beban dari bahan seng berisi 0,5 liter air.

No.

Data Ukur Data Hitung

Δ t

(10)

Tabel 2.2. Hasil pengukuran dan perhitungan karakter kompor induksi dengan beban dari bahan seng berisi 1 liter air.

No.

Δ t

Pengukuran dilakukan dengan keadaan awal sebagai berikut:

a) Volume air yang diberikan ke

Pengukuran parameter pada tabel dimulai saat suhu air mencapai 30C.

Tabel 2.3. Hasil pengukuran dan perhitungan karakter kompor induksi dengan beban logam stainless steel berisi 0,5 liter air.

No.

(11)

Pengukuran parameter pada

tabel dimulai saat suhu air mencapai 30C.

Tabel 2.4. Hasil pengukuran dan perhitungan karakter kompor induksi dengan beban logam stainless steel berisi 1 liter air.

2.4. Efisiensi Energi

Dengan sistem pemanasan yang digunakan pada pemanas induksi, dapat dikatakan sebagian

besar energi panas yang dihasilkan alat berada pada tempat memasak sehingga efisiensi energi dari peralatan ini cukup besar.

Gambar 5. Grafik hubungan efisiensi dengan perubahan suhu pada kompor induksi dengan tempat memasak dari logam seng berisi 0,5 dan 1 liter air.

Pada tabel 2.1 dan 2.2., dapat digambarkan grafik hubungan efisiensi energi dengan perubahan

waktu seperti pada gambar 5. Tempat memasak yang berisi 0,5 liter air memiliki efisiensi energi No.

Δ t

(C) ΔT (detik) Tegangan (Volt ac) (Ampere) Arus PF

Medan Magnet (mA/m)

Energi Input (kJoule)

Energi Output (kJoule)

 (%)

(12)

paling besar pada suhu 80C (Δt =

50C) yaitu sebesar 74,8 %.

Sedangkan pada tempat memasak yang berisi 1 liter air, efisiensi tertinggi pada suhu 70C (Δt = 40C) yaitu sebesar 75,5 %.

pada kompor induksi dengan tempat memasak dari logam stainless steel berisi 0,5 dan 1 liter air.

Gambar 6. Grafik hubungan efisiensi dengan perubahan suhu

Pada gambar 6. terlihat bahwa untuk tempat memasak dari bahan logam stainless steel yang berisi 0,5 liter air, memiliki efisiensi energi tertinggi pada suhu 70C (Δt = 40C) yaitu sebesar 78,3 %. Sedangkan untuk tempat memasak yang berisi 1 liter air, memiliki efisiensi energi yang paling tinggi pada suhu 60C (Δt = 30C) yaitu sebesar 80,3 %.

Dengan melihat tabel 2.2. dan 2.4., dapat dibuat grafik seperti pada gambar 7. Grafik ini untuk membandingkan efisiensi kedua bahan tempat memasak. Tampak bahwa efisiensi dari kompor induksi dengan tempat memasak

bahan stainless steel memiliki

efisiensi yang lebih besar

dibandingkan dengan tempat

(13)

Gambar 7. Grafik hubungan efisiensi dengan perubahan suhu pada kompor induksi dengan tempat memasak dari logam seng dan stainless steel berisi 1 liter air.

3. PENUTUP 3.1. Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian kedua bahan logam yaitu bahan logam seng dan bahan logam

stainless steel yang menjadi beban dari kompor pemanas induksi, dapat disimpulkan:

1. Supaya dapat memaksimalkan

energi panas pada kompor pemanas induksi model JF-2000IC, diperlukan suatu tempat memasak dari bahan logam

ferromagnetic yang memiliki resistivitas listrik yang rendah serta permeabilitas yang tinggi.

2. Pengujian kedua bahan logam

yang digunakan untuk tempat memasak yang berisi 0,5 liter

air, pada Δt sebesar 40C

efisiensi energi tempat memasak

dengan bahan logam stainless steel sebesar 78,3%. Pada keadaan ini, efisiensi energi dengan bahan logam stainless steel lebih besar dibandingkan tempat memasak dari bahan seng (74 %).

Sedangkan untuk pengujian kedua bahan logam yang

digunakan sebagai tempat

memasak berisi 1 liter air, pada Δt sebesar 30C efisiensi energi kompor induksi dengan tempat memasak dari bahan logam

stainless steel sebesar 80,3 %,

lebih besar dibandingkan

efisiensi energi dengan

menggunkan tempat memasak dari bahan logam seng (74,9 %).

3. Kuat medan magnet terbesar

(14)

berisi 0,5 liter air, tempat memasak dengan bahan logam

stainless steel memiliki kuat medan magnet sebesar 1427 mA/m atau 1,78 µT, lebih besar

dibandingkan kuat medan

magnet dengan tempat memasak dari bahan logam seng (869 mA/m = 1,08 µT).

Dan kuat medan magnet terbesar yang dihasilkan dengan tempat memasak yang berisi 1 liter air, untuk tempat memasak dengan

bahan logam stainless steel

memiliki kuat medan magnet sebesar 1430 mA/m (1,79 µT), lebih besar dibandingkan kuat medan magnet dengan tempat memasak dari bahan logam seng (875 mA/m = 1,09 µT).

4. Menurut rekomendasi dari

IRPA/INIRC tahun 1991, untuk batasan medan magnet supaya tidak mengganggu kesehatan adalah 1 mT (dalam beberapa jam per hari) sehingga kedua bahan logam pada penelitian aman digunakan.

3.2. Saran

1. Berdasarkan hasil penelitian

serta dari

kesulitan-kesulitan yang ditemui

selama melakukan

penelitian, maka disarankan

untuk mencoba dan

mengembangkan metode

lain yang lebih baik

2. Perlu dilakukan lagi

pengujian dengan variabel yang lain, sehingga efisiensi energi dapat ditingkatkan.

DAFTAR PUSTAKA

________, 2000 ,“Induction

heating System

Labeling and Standard-Electric Heating Rice Cooker”, Korea Testing Laboratory.

Hirota, I., Omori, H., Nakaoka, M.,

1992, “Performance

Evaluations of

Single-ended Quasi-load

Automation, pp. 223-228 vol.1.

Holman, J.P., 1995, “Perpindahan

Kalor”, Penerbit

Erlangga, Jakarta.

Jean Callebaut, 2007,”Power

Quality and Utilisation

Guide”, Leonardo

(15)

Koertzen, H. W., Van Wyk, J. D., Ferreira, J. A., “Design

of the Half-bridge

Series resonant converter for Induction

Cooking”, Power

Electronics Specialists Conference, pp. 729-735 vol. 2.

Leschynsky, V., Weinert, H., Szlaferek, A., 2007, “Layered Alloys for

Effective Magnetic

Flux Concentration in

Induction heating”,

Material

Science-Poland, vol. 25 no. 2. Miyauchi, T., Kondo, S., 2009,

“Induction heating

Cooking Device”,

United States Patent Application

Publication, pp. 1-6. Nabil A. Ahmed, 2008,

“Three-Phase High Frequency AC Conversion Circuit

with Dual Mode

Suspector with Critical Thickness on Induction heating”, IOP Publishing Ltd

Pal, N., Sadhu, P. K., Chakrabarti, R. N., 2006, “A Comparative Study of HF Mirror Inverter for

Induction Cooker

through Real-time and PSPICE Simulation”, IE (I) Journal, pp. 268-274 vol. 86.

resonant Superimposed

Inverter Applied to

Induction heating”, IE (I) Journal, pp. 214-217 vol. 84.

Raymond Cook, Micah

Black, 2003,

“Handbook of

Induction heating”,

Marcel Dekker, Inc., New York.