Analisis Perbandingan Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Flux Magnet Dan Metode Ward Leonard Terhadap Efisiensi Pada Motor Dc Shunt
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
DAFTAR PUSTAKA
Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik”, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1998.
Yon, Rujiono, “Dasar Teknik Tenaga Listrik”, Penerbit ANDI, Yogyakarta,1997.
Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar-Dasar Mesin Listrik. Djambatan. Jakarta.
Hidayat, Bambang. 2014, “Pengaruh Pengaturan Kecepatan Menggunakan
Metode Pengaturan Fluksi Terhadap Efisiensi Pada Motor Arus Searah Kompon”,
Singuda Ensikom Jurnal. Volume 9, No.2,
http://jurnal.usu.ac.id/singuda_ensikom/article/view/8288, 10 Okt 2016.
Sihombing, Jesayas. 2014. “ Pengaruh Posisi Sikat Dan Penambahan Kutub Bantu
Terhadap Efisiensi Dan Torsi Motor Dc Shunt”, Singuda Ensikom Jurnal Volume
8, No. 3,
http://jurnal.usu.ac.id/singuda_ensikom/article/view/7528/3998, 10 Des 2016.
47
Universitas Sumatera Utara
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Pengambilan data dalam penelitian tugas akhir ini akan dilakukan di
Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara pada tanggal 1- 5 Desember 2016.
3.2 Metode Pengumpulan Data
Salah satu hal yang sangat penting dalam melakukan penelitian adalah
metode pengumpulan data. Kesalahan yang terjadi dalam proses pengumpulan
data dapat menyebabkan proses analisis data menjadi rumit dan rentan terhadap
tingkat akurasi hasil penelitian yang buruk. Pada penelitian ini, penulis memilih
beberapa metode, diantaranya :
3.2.1. Metode Dokumentasi
Metode dokumentasi adalah suatu metode yang menggunakan catatan atas
kejadian-kejadian yang telah terjadi, catatan tersebut dapat berupa tulisan maupun
gambar. Pada penelitian ini penulis melakukan metode dokumentasi dari tulisantulisan yang berupa buku-buku, yang meyangkut tentang bagaimana pengaturan
putaran motor dc dengan metode-metode yang dapat digunakan.
24
Universitas Sumatera Utara
3.2.2. Metode Observasi
Metode obsevasi yang dilakukan penulis adalah dengan melakukan
pengamatan dan pencatatan secara sistemik tehadap data-data yang menyangkut
tentang penelitian, dimana penelitian dilakukan dengan cara melakukan percobaan
pada pengaturan putaran motor dc shunt. Setalah melakukan percobaan, penulis
melakukan analisis dan interpretasi terhadap hasil percobaan dan kenudian
menarik kesimpulan atas hasil penelitian.
3.3 Bahan dan Peralatan
Pada penelitian ini terdapat dua jenis percobaan yang dilakukan :
3.3.1 Percobaan Dengan Metode Flux Magnet
Bahan dan peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Motor dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
P = 1,2 kW
IL =7,1 A
n = 1400 rpm
Jumlah kutub = 4
Kelas Isolasi = B
Tahanan Medan Shunt = 1,168 kOhm
Tahanan Jangkar = 4,5 Ohm
2. Generator dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
P = 2 kW
25
Universitas Sumatera Utara
IL = 9,1 A
n = 150 rpm
Kelas Isolasi = B
Type GNF 110/140 Penguatan Bebas
3. Tahanan Geser ( 5 Buah )
4. Tachometer ( 2 buah )
5. Kabel Penghubung
6. Multimeter (5 buah)
7. Power Supply ( 1 PTAC dan 1 PTDC )
8. Penyearah diode 3 phasa gelombang penuh
3.3.2 Percobaan Dengan Metode Ward Leonard
Bahan dan peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Motor dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
P = 1,2 kW
IL =7,1 A
n = 1400 rpm
Jumlah kutub = 4
Kelas Isolasi = B
Tahanan Medan Shunt = 1,168 kOhm
Tahanan Jangkar = 4,5 Ohm
2. Generator dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
26
Universitas Sumatera Utara
P = 2 kW
IL = 9,1 A
n = 150 rpm
Kelas Isolasi = B
Type GNF 110/140 Penguatan Bebas
3. Motor Induksi, dengan spesifikasi :
V = 220/380
IL = 10,7/6,2 A
Kelas Isolasi = B-F
P = 2,2 kW
f = 50 Hz
Type AEG CAM 112 AM 112MU 4RI
4. Tachometer ( 2 buah )
5. Kabel Penghubung
6. Multimeter (4 buah)
7. Power Supply ( 1 PTAC dan 1 PTDC )
27
Universitas Sumatera Utara
3.4 Rangkaian dan Prosedur Percobaan
3.4.1 Percobaan Dengan Metode Flux Magnet
Rangkaian Percobaan Tanpa Beban
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengaturan Putaran dengan Metode
Flux Magnet Tanpa Beban
Prosedur Percobaan Tanpa Beban
1. Peralatan dirangkai seperti gambar 4.1
2. Switch on PTAC
3. Atur besar nilai tegangan terminal ( Vt) secara perlahan hingga 200 volt
4. Catat nilai arus jangkar, arus jala-jala, arus medan shunt, dan putaran
motor pada setiap nilai tahanan mulai dari 20 hingga 200.
5. Turunkan nilai tegangan terminal hingga nol perlahan lahan lalu switch off
autotrafo.
6. Percobaan Selesai.
28
Universitas Sumatera Utara
Rangkaian Percobaan Tanpa Beban
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengaturan Putaran dengan Metode
Flux Magnet Berbeban
Prosedur Percobaan Tanpa Beban
1. Peralatan dirangkai seperti gambar 4.2
2. Switch on PTAC
3. Atur besar nilai tegangan terminal ( Vt) secara perlahan hingga 200 volt
4. Catat nilai arus jangkar, arus jala-jala, arus medan shunt, dan putaran
motor pada setiap nilai tahanan mulai dari 20 hingga 200.
5. Turunkan nilai tegangan terminal hingga nol perlahan lahan lalu switch off
autotrafo.
6. Percobaan selesai.
29
Universitas Sumatera Utara
3.4.2 Percobaan Dengan Metode Ward Leonard
Rangkaian Percobaan
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengaturan Putaran dengan Metode
Ward Leonard
Prosedur Percobaan Tanpa Beban
1. Peralatan dirangkai seperti gambar 4.3
2. Switch on PTAC
3. Atur nilai tegangan ( Vac ) = 220 volt
4. Switch on PTDC
5. Catat nilai arus jangkar, arus medan, arus jala-jala dan putaran motor pada
nilai tegangan ( Vdc ) mulai dari 15 volt hingga 150.
6. Turunkan secara perlahan nilai tegangan ( Vdc ) hingga nol.
7. Switch off PTDC
8. Turunkan secara perlahan nilai tegangan ( Vac ) hingga nol.
9. Swich off autotrafo.
10. Percobaan selesai.
30
Universitas Sumatera Utara
3.5 Variabel Yang Diamati
3.5.1 Variabel Dengan Metode Flux Magnet
1. Nilai arus jangkar (Ia)
2. Nilai arus jala-jala (IL)
3. Nilai arus shunt (Ish)
4. Putaran motor
3.5.2 Variabel Dengan Metode Ward Leonard
1. Nilai arus jangkar (Ia)
2. Nilai arus jala-jala(IL)
3.Arus frekuensi (If)
4. Putaran motor
31
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Umum
Untuk mengetahui bagaimana
pengaturan kecepatan
dengan metode
pengaturan flux magnet dan metode ward leonard pada motor dc shunt, maka
perlu dilakukan suatu percobaan ataupun pengujian. Dengan mengetahui
bagaimana pengaturan masing masing metode berjalan, maka dari hasil yang
didapatkan dapat dibandingkan pengaturan manakah yang paling baik dengan
menjadikan efisiensi sebagai tolak ukur pada masing masing metode pengaturan.
4.2 Data Percobaan
Pada penelitian ini, penulis melakukan percobaan di Laboratorium
Konversi Energi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU. Data yang
diperoleh dari percobaan tersebut adalah sebagai berikut dan ditampilkan juga
pada lampiran.
4.2.1 Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Flux Magnet
A. Percobaan Tak Berbeban
32
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Dengan Metode Flux Magnet Pada
Kondisi tak Berbeban
V = 200 Volt
R1
Ia
Ish
IL
N
20
1,48
0,17
1,65
1605
40
1,5
0,16
1,66
1633
60
1,52
0,16
1,68
1648
80
1,53
0,15
1,68
1663
100
1,54
0,15
1,69
1701
120
1,55
0,15
1,70
1725
140
1,55
0,14
1,69
1741
160
1,56
0,14
1,70
1760
180
1,57
0,13
1,70
1784
200
1,58
0,13
1,71
1806
B. Percoban Berbeban
Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Dengan Metode Flux Magnet Pada
Kondisi Berbeban
V = 200 Volt
R1
Ia
Ish
IL
N
20
2,15
0,17
2,32
1553
40
2,19
0,16
2,35
1564
60
2,22
0,16
2,38
1571
33
Universitas Sumatera Utara
R1
Ia
Ish
IL
N
80
2,23
0,16
2,39
1579
100
2,26
0,16
2,42
1599
120
2,30
0,15
2,45
1621
140
2,33
0,15
2,48
1636
160
2,35
0,15
2,50
1644
180
2,37
0,14
2,51
1659
200
2,39
0,14
2,53
1675
4.2.2 Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Flux Ward Leonard
Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Dengan Metode Ward Leonard
Vt
Ia
IL
If
N
15
1,32
1.35
0,03
736
30
1,10
1.15
0,05
1186
45
1,02
1.09
0,07
1257
60
1,04
1.14
0,10
1365
75
1,08
1.21
0,13
1438
90
1,13
1.28
0,15
1497
105
1,19
1.37
0,18
1545
120
1,25
1.47
0,22
1597
135
1,32
1.57
0,25
1644
150
1,44
1.72
0,28
1708
34
Universitas Sumatera Utara
4.3 Analisis Data
Dari data percobaan diatas, maka dapat dilakukan analisis perhitungan
sebagai berikut :
4.3.1 Pengaturan Kecepatan dengan Metode Flux Magnet
Untuk dapat menentukan nilai rugi rugi pada motor, maka harus dilakukan
pengujian pada motor yang tak berbeban, sedangkan untuk menentukan nilai
efisiensi maka harus dilakukan pengujian pada motor dengan kondisi berbeban.
Percobaan kondisi tak berbeban
Daya masukan pada kondisi tak berbeban ditentukan dengan formula :
P(in) = Vt x IL
Pada kondisi tak berbeban, daya masukan berfungsi untuk melayani rugi
rugi yang terdapat pada motor, yang diantara adalah sebagai berikut :
-Rugi rugi tembaga
Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi yang terdapat pada kumparan jangkar
dan kumparan medan shunt. Rugi-rugi tembaga ditentukan dengan formula
sebagai berikut :
P(cu-total)o= ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
-Rugi-rugi konstan
Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi besi dan rugi-rugi angin. Rugi-rugi
tersebut ditentukan dengan dengan formula sebagai berikut :
35
Universitas Sumatera Utara
Pkonstan= (Pin)o – (Pcu-total)o
Percobaan kondisi berbeban
Daya masukan pada kondisi berbeban dapat ditentukan dengan formula
sebagai berikut :
Pin= Vt x IL
Pada kondisi ini, daya masukan berfungsi untuk melayani beban serta
rugi-rugi pada motor, yang diantara sebagai berikut:
− Rugi-rugi tembaga :
P(cu-total) = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
− Rugi-rugi total.
Rugi-rugi total adalah akumulasi besarnya nilai rugi-rugi tembaga dan
rugi-rugi konstan. Dapat dituliskan dengan formula sebagai berikut :
Σ Rugi-Rugi =Pcu-total + Pkonstan
Sehingga daya yang digunakan untuk melayani beban adalah :
Pout = Pin – Σ Rugi-Rugi
Efisiensi motor dc shunt adalah persen dari besarnya daya yang keluar
dibandingkan dengan besarnya daya yang masuk pada motor, atau dapat
diformulasikan sebagai berikut :
η=
P
Pi
x
%
Untuk mengetahui nilai torsi pada motor, maka harus ditentukan dulu besar nilai
ggl armatur pada motor :
36
Universitas Sumatera Utara
Ea = Vt – Ia x Ra
Perubahan Fluksi :
CØ =
a
Dengan analisis pehitungan seperti di atas berserta data-data yang telah
diperoleh melalui percobaan, maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut :
Pada saat R1 = 20
Kondisi tak berbeban
P(in)0 = Vt x IL
P(in)0 = 200 x 1,65
P(in)0 = 330 Watt
P(cu-total)0 = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
P(cu-total)0 = (1,48)2 x 3,8 + (0,17)2 x 1250
P(cu-total)0 = 44,44
Pkonstan= (Pin)o – (Pcu-total)o
Pkonstan= 330 – 44,44
Pkonstan= 285,55 Watt
Kondisi Berbeban
P(in) = Vt x IL
P(in) = 200 x 2,32
37
Universitas Sumatera Utara
P(in) = 464 Watt
P(cu-total) = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
P(cu-total) = (2,15)2 x 3,8 + (0,17)2 x 1250
P(cu-total) = 53,69
Pout = P(in) - P(cu-total) - Pkonstan
Pout = 464 - 53,67 - 284,55
Pout = 124,75 Watt
η=
η=
P
Pi
,
x
x
η = 26,88 %
%
%
Ea = Vt – Ia x Ra
Ea = 200 – 2,15 x 3,8
Ea = 191,83
CØ =
191,83
1553
CØ = 0,1235
Dengan merunut perhitungan di atas, nilai R1 mulai dari 40 hingga 200
ohm dapat ditentukan dengan menggunakan tabel di bawah ini dan perhitungan
terperinci dapat dilihat pada lampiran.
38
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.4 Data Hasil Analisis Dengan Metode Flux Magnet
R1(ohm)
Ia(Amp)
Ish(Amp)
IL(Amp)
N(rpm)
η(%)
CØ
20
2,15
0,17
2,32
1553
26,88
0.1235
40
2,19
0,16
2,35
1564
27,30
0.1225
60
2,22
0,16
2,38
1571
27,32
0.1219
80
2,23
0,16
2,39
1579
26,80
0.1212
100
2,26
0,16
2,42
1599
27,21
0.1197
120
2,30
0,15
2,45
1621
28,37
0.1179
140
2,33
0,15
2,48
1636
28,80
0.1168
160
2,35
0,15
2,50
1644
28,92
0.1162
180
2,37
0,14
2,51
1659
29,21
0.1151
200
2,39
0,14
2,53
1675
29,32
0.1139
4.3.2 Pengaturan Kecepatan dengan Metode Ward Leonard
Untuk menentukan besar nilai Torsi pada motor dc shunt, maka
sebelumnya harus terlebih dahulu didapatkan besar nilai perubahan fluks dan
besar nilai ggl motor.
Besar nilai perubahan fluks ditulis dengan formula :
CØ =
Vt − Ia x Ra
n
39
Universitas Sumatera Utara
Kemudian, Besar ggl motor ditulis dengan formula :
Ea = Vt- Ia x Ra
Setelah mendapatkan besar nilai perubahan fluks dan ggl motor, maka
besar nilai Torsi pun dapat ditentukan. Besar nilai torsi ditulis dengan formula :
Ea x Ia
πN
Ta =
Selanjutnya, dari besar torsi yang telah diketahui, maka daya keluaran motor
dapat ditentukan. Besar daya keluaran motor ditulis dengan formula :
πNT
Pout =
Untuk menentukan besar efisiensi suatu motor dc shunt, maka terlebih
dahulu harus diketahui besar nilai daya yang masuk dan besar nilai daya yang
keluar. Besar daya yang masuk pada motor dc shunt adalah sebesar :
Pin = Vt x IL
Setelah nilai daya masuk dan daya keluar didapatkan, maka efisiensi motor dc
shunt pun dapat ditentukan. Efisiensi Motor dc shunt :
η=
P
Pi
x
%
Dengan analisis pehitungan seperti di atas berserta data-data yang telah
diperoleh melalui percobaan, maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut :
Pada saat Vt = 15 Volt
40
Universitas Sumatera Utara
CØ =
Vt − Ia x Ra
n
− ,
CØ =
x ,
CØ = 0.019103261
Ea = Vt- Ia x Ra
Ea = 15- 1,32x 0,38
Ea = 14.4984
Ta =
Ea x Ia
πN
Ta =
.
x ,
Ta =0.004141
Pout =
Pout =
πNT
x ,
x ,
x
x 0.004141
Pout = 19.13789
Pin = Vt x IL
41
Universitas Sumatera Utara
Pin = 15 x 1.35
Pin = 20.25
η=
P
η=
x
Pi
.
.
η = 94.50 %
x
%
%
Dengan merunut perhitungan di atas, nilai Vt mulai dari 30 hingga 150
volt dapat ditentukan dengan menggunakan tabel di bawah ini dan untuk
perhitungan lebih terperinci dapat dilihat pada lampiran.
Tabel 4.5 Data Hasil Analisis Dengan Metode Ward Leonard
CØ
N (rpm)
η(%)
15
1,32
1.35
0,03
0.0191
Ta(Nm)
0.0041
736
94.50
30
1,10
1.15
0,05
0.0246
0.0043
1186
94.31
45
1,02
1.09
0,07
0.0352
0.0057
1257
92.77
60
1,04
1.14
0,10
0.0434
0.0072
1365
90.62
75
1,08
1.21
0,13
0.0516
0.0089
1438
88.76
90
1,13
1.28
0,15
0.0596
0.0107
1497
87.86
105
1,19
1.37
0,18
0.0674
0.0128
1545
86.48
120
1,25
1.47
0,22
0.0745
0.0148
1597
84.69
135
1,32
1.57
0,25
0.0815
0.0171
1644
83.76
150
1,44
1.72
0,28
0.0872
0.0200
1708
83.41
Vt(V) Ia(A) IL(A) If(A)
42
Universitas Sumatera Utara
4.4 Grafik Pengujian
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara fluksi dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode flux magnet :
Putaran (rpm)
Fluksi Vs Putaran
1700
1680
1660
1640
1620
1600
1580
1560
1540
1520
1500
1480
0.1139 0.1151 0.1162 0.1168 0.1179 0.1197 0.1212 0.1219 0.1225 0.1235
Fluksi
Gambar 4.1 Grafik Fluksi Vs Putaran
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara efisiensi dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode flux magnet :
Putaran (rpm)
Efisiensi Vs Putaran
1700
1680
1660
1640
1620
1600
1580
1560
1540
1520
1500
1480
26,88 27,30 27,32 26,80 27,21 28,37 28,80 28,92 29,21 29,32
Efisiensi (%)
Gambar 4.2 Efisiensi Vs Putaran
43
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara tegangan dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode ward leonard :
Tegangan Vs Putaran
1800
1600
Putaran (rpm)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
Tegangan (Volt)
Gambar 4.3 Tegangan Vs Putaran
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara efisiensi dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode ward leonard :
Putaran vs Efisiensi
1800
1600
1400
putaran
1200
1000
800
600
400
200
0
94.50 94.31 92.77 90.62 88.76 87.86 86.48 84.69 83.76 83.41
efisiensi
Gambar 4.4 Grafik Efisiensi Vs Putaran
44
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari penelitian ini diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Dari hasil analisis pada percobaan pengaturan putaran motor dc shunt
dengan metode flux magnet didapat bahwa semakin besar nilai tahanan
yang diuji maka semakin besar nilai efisiensi yang didapat. Pada
percobaan ini, efisiensi terkecil adalah 26,88%, yakni ketika tahanan yang
digunakan sebesar 20 ohm, dan efisiensi terbesar didapat pada pengujian
tahanan sebesar 200 ohm, yakni 29,32%.
2. Dari hasil analisis pada percobaan pengaturan putaran motor dc shunt
dengan metode ward leonard didapat bahwa semakin besar nilai tegangan
yang digunakan maka semakin kecil efisiensi yang didapatkan. Pada
percobaan ini, efisiensi terkecil adalah sebesar 83,41%, yakni ketika nilai
tegangan yang digunakan sebesar 150 vot, dan efisiensi terbesar didapat
pada pengujian tegangan sebesar 15 volt, yakni 94.50%.
3. Dari hasil analisis pada kedua percobaan yang dilakukan, yakni
pengaturan putaran motor dc shunt dengan metode flux magnet dan
metode ward leonard didapat bahwa pengaturan putaran dengan metode
ward leonard memiliki efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan
metode flux magnet.
45
Universitas Sumatera Utara
5.2 Saran
Dari penelitian ini, ada beberapa saran yang diajukan oleh penulis untuk
penelitian selanjutnya, diantaranya :
1. Untuk penulis selanjutnya yang melakukan percobaan di Laboratorium
Konvesi Energi Universitas Sumatera Utara, diharapkan untuk lebih teliti
dalam melakukan percobaan karena kesalahan dalam pengambilan data
sangat memengaruhi tingkat akurasi hasil penelitian.
2. Untuk penelitian selanjutnya dihapakan agar besar nilai tahanan geser
lebih bervariasi untuk dapat mempermudah pengaturan perbandingan yang
dilakukan.
3. Penelitian selanjutnya dapat dilakukan dengan melakukan variasi
perbandingan metode yang digunakan dalam pengaturan putaran motor dc
shunt.
4. Penelitian selanjutnya dapat dilakukan dengan mengganti tolak ukur
kinerja motor motor dengan meneliti bagaimana pengaruh besar nilai
tegangan atau tahanan pada perubahan nilai rugi-rugi pada motor.
46
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Motor DC
Motor DC adalah suatu mesin yang mengubah energi listrik arus searah
(energi lisrik DC) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran rotor.
[1]
Pada
dasarnya, motor arus searah adalah sama dengan mesin arus bolak balik, kecuali
bahwa motor arus searah memiliki suatu komutator, yang berfungsi untuk
mengubah tegangan bolak balik menjadi tegangan searah. Berdasarkan prinsip
operasinya, motor arus searah juga memiliki banyak kesamaan dengan generator
arus searah, bahkan sering diidentikkan. Hal
itu terbukti dengan melihat
kenyataanya bahwa mesin yang bekerja sebagai generator searah dapat juga
bekerja sebagai motor arus searah.
Berdasarkan konstruksinya, secara umum motor arus searah dibagi
menjadi dua bagian, yakni bagian stator ( bagian yang diam ) dan baigan rotor
( bagian yang bergerak ). Stator merupakan bagian dimana kumparan medan
bekerja menghasilkan fluksi magnet dan rotor merupakan bagian dimana
rangkaian jangkar diletakkan, seperti kumparan jangkar, komutator, dan sikat.
Motor arus searah bekerja bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua
fluksi magnetik. Fluksi magnetik yang pertama dihasilkan oleh kumparan medan,
yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Selanjutnya, di rangkaian
jangkar, kumparan jangkar juga menghasilkan fluksi magnetik dalam bentuk
melingkar. Interaksi fluks magnetik yang pertama dan fluks yang melingkar inilah
4
Universitas Sumatera Utara
yang menimbulkan suatu gaya. Gaya ini kemudian menghasilkan suatu torsi. Jika
torsi start lebih besar daripada torsi beban, maka motor akan berputar.
Pada umumnya, motor arus searah digunakan untuk melayani beban
dengan torsi start yang besar, oleh sebab itu motor arus searah harus disesuaikan
dengan kebutuhan agar bersifat ekonomis.Dan oleh sebab itu juga, motor arus
searah lebih sering digunakan, karena memiliki efisiensi yang tinggi sehingga
lebih unggul bila dibandingkan dengan motor induksi ataupun motor sinkron.
Dalam kehidupan sehari-hari, aplikasi motor arus searah dapat kita jumpai
pada motor starter mobil, tape recorder, dan berbagai jenis mainan umum lainnya.
Pada pabrikasi industri, motor arus searah digunakan untuk taksi, elevator,
convenyor, dan lain sebagainya.
2.2.
Konstruksi Motor DC
Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi
atas dua bagian, yaitu : bagian yang diam dan bagian yang bergerak. Bagian yang
diam disebut stator dan bagian yang berputar/bergerak disebut rotor. Untuk lebih
jelasnya dapat dilihat pada Gambar di bawah ini:
Gambar 2.1 Gambar Konstruksi Motor DC
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Konstruksi Motor DC Bagian Stator (Bagian yang diam)
Gambar 2.3 Konstruksi Motor DC Bagian Rotor (Bagian yang bergerak)
1. Badan Motor ( Rangka )
Rangka (frame atau yoke) motor arus searah adalah tempat dimana
sebagian besar komponen mesin berada dan rangka ini juga berfungsi untuk
melindungi bagian-bagianyang ada pada mesin. Oleh sebab itu, rangka harus
6
Universitas Sumatera Utara
dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki kekuatan mekanis yang tinggi
untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut.Rangka mesin arus searah
juga sama seperti mesin-mesin listrik lainnya, yang secara umum memiliki
beberapa fungsi, yaitu:
Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub
magnet.
Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.
Rangka dibuat dengan menggunakan bahan ferromagnetik yang memiliki
permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau baja
lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga
sebagai bagian dari rangkaian magnet. Tetapi, pada mesin yang ukurannya lebih
kecil, pertimbangan harga menjadi faktor yang sangat memengaruhi, oleh sebab
itu, rangka biasanya dibuat dari besi tuang. Biasanya pada badan (rangka) motor
terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan spesifikasi umum mesin atau
data-data teknik dari mesin tersebut.
2. Kutub Medan
Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub berfungsi
sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan dan juga untuk
menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar
dengan menggunakan permukaan yang melengkung. Inti kutub terbuat dari
lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang yang terisolasi satu sama lain.
Kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian
dibuat pada rangka.
7
Universitas Sumatera Utara
3. Jangkar
Pada
umumnya,
motor
arus
searah
menggunakan
inti
jangkar
berbentuksilinder yang diberi alur-alur sebagai tempat melilitkan kumparan
jangkar dimana terbentuknya ggl induksi.Inti jangkarterbuat dari bahan
ferromagnetik, sejenis baja silikon, tujuannya agar komponen-komponen (lilitan
jangkar) berada dalam daerah yang induksi magnetnya besar, dengan begitu ggl
induksi dapat bertambah besar.Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar
dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis dengan tujuan untuk mengurangi panas yang
terbentuk karena adanya arus linier.
4. Celah Udara
Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan
permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan
sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi
yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.
5. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang
disebut komutator. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang
berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang
pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan komutator terisolasi dengan baik antara
satu dengan lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya mempunyai
dua bagian yaitu :
8
Universitas Sumatera Utara
a) Komutator bar, merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutator
dengan sikat-sikat.
b) Komutator riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan
komutator dengan ujung dari lilitan jangkar.
6. Kumparan Jangkar
Kumparan
jangkar
pada
motor
arus
searah
merupakan
tempat
dibangkitkannya ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur
inti jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam,
yaitu :
a) Kumparan jerat (lap winding)
b) Kumparan gelombang (wave winding)
c) Kumparan zig-zag (frog-leg winding)
7. Kumparan Medan
Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti
kutub.
Dimana konduktor tersebut
terbuat
dari kawat
tembaga
yang
berbentukbulat atapun persegi. Rangkaian medan yang berfungsi untuk
menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub. Pada
aplikasinya rangkaian medan dapat dihubungkan dengan kumparan jangkar baik
seri maupun paralel dan juga dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber
tegangan sesuai dengan jenis penguatan pada motor.
9
Universitas Sumatera Utara
8. Sikat
Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana permukaan
sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat
memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat-sikat terbuat dari bahan
karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal
dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada
segmen-segmen komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen
komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator.
2.3.Prinsip Kerja Motor DC
Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi fluksi magnetik. Pada saat
kumparan medan dan kumparan jangakar dihubungkan dengan sumber tegangan
DC, maka mengalirlah arus medan pada kumparan medan. Mengingat bahwa arus
listrik yang mengalir melalui suatu hantaran merupakan aliran elektron, maka
pada sekitar hantaran listrik terseut akan timbul suatu medan magnet. Medan
magnet tersebut kemudian disebut fluksi magnet, yang pada kumparan medan ini
arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan
jangkar, mengalir arus jangkar, yang menyebabkan pada konduktor timbul fluksi
magnet yang melingkar. Fluksi magnet yang melingkar, yang ditimbulkan oleh
kumparan jangkar tersebut akan memotong fluksi magnet yang ada pada
kumparan medan sehingga mengakibatkan terjadinya pergeseran kerapatan fluksi
magnetik dari medan utama. Mengacu pada Hukum Lorenz, maka interaksi antara
kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu gaya, berupa gaya mekanik pada
10
Universitas Sumatera Utara
konduktor jangkar, gaya ini biasa disebut dengan gaya Lorenz. Besarnya nilai
gaya ini sesuai dengan persamaan berikut ;
F=B.i.l
....................................................................... (2.1)
Dimana :
F= gaya yang bekerja pada konduktor (N)
B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
i = arus yang mengalir pada konduktor (A)
l = panjang konduktor (m)
Gaya yang dihasilkan dari peristiwa ini memiliki arah, dan arah gaya
tersebut dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri
menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks
magnet B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan
menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.
Gambar 2.4 Kaidah Tangan Kiri Flemming
11
Universitas Sumatera Utara
2.4. Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar adalah suatu akibat yang ditimbulkan karena adanya
interaksi antara dua fluks. Interaksi ini bermula ketika kumparan medan diberi
tegangan. Tegangan ini kemudian menghasilkan arus medan pada kumparan
medan. Adanya arus medan pada kumparan medan menyebabkan timbulnya fluks
pada kumparan medan, yang arahnya dari utara menuju selatan.
Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan
Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus, sementara
kumparan medan tidak dieksitasi, maka di sekeliling konduktor jangkar timbul
garis gaya magnet atau fluksi dalam bentuk melingkar.
Gambar 2.6 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar
12
Universitas Sumatera Utara
Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar menentang fluksi medan
utama yang dihasilkan oleh kumparan medan pada setengah bagian dari salah satu
kutubnya dan memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain.
Hal ini jelas akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian
dari salah satu kutubnya dan menyebabkan penguatan pada setengah bagian yang
lain di kutub yang sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi
pada jangkar yang memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai
reaksi jangkar.
Gambar 2.7 Fluksi yang dihasilkan oleh interaksi kumparan jangkar dan
kumparan medan.
2.5 Gaya Gerak Listrik Lawan Motor Arus Searah
Proses terjadinya GGL lawan adalah suatu kumparan jangkar diberi
sumber DC. Pada kumparan-kumparan jangkar timbul torsi sehingga jangkar
berputar. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul
GGL. Arah GGL induksi tersebut berlawanan dengan arah GGL sumber yang
diberikan pada motor sehingga disebut dengan GGL lawan.
13
Universitas Sumatera Utara
Jadi GGl lawan pada motor DC adalah GGL yang terjadi pada jangkar
motor DC (pada waktu motor dioperasikan/berputar), yang disebabkan karena
jangkar tersebut berputar dalam medan magnet.
2.6 Jenis-Jenis Motor DC
Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis
penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan
jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi:
2.6.1 Motor DC Penguatan Bebas
[3]
Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang
sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Di mana kumparan medan
disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus
searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar berikut.
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Bebas
Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas :
Vt = Ea + Ia Ra ........................................................................................... (2.2)
Vf = If . Rf .................................................................................................... (2.3)
14
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Vt = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)
Ia = arus jangkar (A)
Ra = tahanan jangkar (Ohm)
If = arus medan penguatan bebas (A)
Rf = tahanan medan penguatan bebas (Ohm)
Vf = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)
Ea = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)
2.6.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang
sumber tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan
medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat
dihubungkan secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar dan dapat juga
dihubungkan dengan keduanya, yaitu secara seri dan paralel.
Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga, yaitu:
1. Motor arus searah penguatan shunt
2. Motor arus searah penguatan seri.
3. Motor arus searah penguatan kompond
15
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.1 Motor arus searah penguatan shunt
Motor shunt, motor penguat sendiri di mana lilitan penguat
magnetnyadihubungkan paralel dengan lilitan jangkar atau dihubungkan
langsungdengansumber tegangan dari luar.
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Shunt
Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor shunt adalah:
Vt = Ea + ( Ia x Ra ) ...................................................................................... (2.4)
Ish =� /� ℎ...................................................................................................(2.5)
IL = Ia + Ish .................................................................................................. (2.6)
dimana :
Vt = Tegangan jepit / tegangan masukan ke motor (Volt)
Ea = Gaya gerak listrik induksi (volt)
Ia = Arus jangkar (Ampere)
Ra = Tahanan Jangkar (Ohm)
Ish = Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere)
Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)
IL = arus dari jala – jala (Ampere)
16
Universitas Sumatera Utara
Jika persamaan di atas dikalikan dengan Ia, kita peroleh :
Vt Ia = Ea Ia + Ia2Ra ..................................................................................... (2.7)
Persamaan ini dikenal dengan persamaan daya motor DC penguatan shunt
Dimana :
Vt Ia = Ea Ia + Ia
Vt Ia = daya listrik yang diberikan ke jangkar (daya masukan jangkar)
Ea Ia = daya yang dibangkitkan oleh jangkar (daya keluaran jangkar)
Ia2Ra =daya listrik yang terbuang di dalam jangkar (rugi tembaga jangkar)
Dengan demikian diketahui bahwa dari keluaran daya masukan
jangkarsebagian kecil terbuang sebagai rugi tembaga jangkar (Ia 2Ra) dan sebagian
lainnya(EaIa) dikonversikan menjadi energi mekanis di dalam jangkar.
2.6.2.2 Motor arus searah penguatan Seri
Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan
secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada
kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar.
Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Seri
17
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.2 Motor arus searah penguatan Kompon
Konfigurasi motor arus searah tipe ini menggunakan gabungan dari
kumparan seri dan shunt/paralel. Pada motor arus searah jenis ini, kumparan
medan dihubungkan secara paralel dan seri dengan kumparan jangkar. Dengan
demikian, motor arus searah jenis ini akan memiliki torsi penyalaan awal yang
baik dan kecepatan yang stabil. Semakin tinggi persentase penggabungan, yaitu
persentase kumparan medan yang dihubungkan secara seri, maka semakin
tinggipula torsi penyalaan awal yang dapat ditangani. Motor arus searah
penguatan kompond terbagi atas dua, yaitu ;
2.6.2.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya
terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek dapat dilihat pada
Gambar berikut :
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan
Kompon Pendek
18
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.2.2. Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang
dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan
Kompon Panjang
2.7 Metode Pengaturan Putaran Putaran Motor Arus Searah
Pengaturan kecepatan memiliki pengaruh yang sangat penting pada motor
arus searah, karena motor arus searah memiliki karakteristik kopel-kecepatanyang
menguntungkan dibandingkan dengan motor jenis lainnya.
[2]
Besar gaya gerak listrik induksi pada kumparan jangkar akibat putaran
rotor yang terletak diantara kutub magnit adalah :
�� =
∅
P Z
�
N
x 10-8................................................................................... (2.8)
Dimana :
∅ = Flux Magnit perkutub (Maxwel)
N = Putaran rotor (rpm)
Atau ;
�� =
∅
P Z
�
.............................................................................................. (2.9)
19
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
�� = Gaya gerak listrik induksi (volt)
∅ = Flux Magnit perkutub (Weber)
n = Putaran Rotor
Seperti yang diketahui bahwa besarnya GGL armatur adalah :
∅
�� =
P N
Z
.............................................................................................. (2.10)
a
Atau dapat juga ditulis
Ea = C x ∅ x N .................................................................. ............................ (2.11)
Dimana:
∅ dalam weber
�=
P Z
�
....................................................................................................... (2.12)
Jadi dapat dituliskan selanjutnya
�=
V −Ia Ra
∅
..................................................................................................(2.13)
Dengan demikian, kecepatan putaran motor dapat diperoleh dengan
mengubah ubah flux magnet, arus armatur, atau peubahan tegangan sumber (Vt).
2.7.1 Pengaturan Putaran Dengan Metode Flux Magnet
Dengan menyisipkan tahanan variabel yang dipasang secara seri terhadap
kumparan medan ( pada motor shunt ), dapat diatur arus medan If dan fluxnya.
Cara ini sangat sederhana dan murah, selain itu rugi panas ang ditimbulkan sangat
kecil dampaknya.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Pengaturan putaran dengan Metode Fluxi Magnet
2.7.2 Pengaturan Putaran Dengan Metode Arus Armatur
Dengan menyisipkan tahanan variabel secara seri terhadap tahanan
jangkar, maka tahanan jangkar pun dapat diatur. Jika tahanan jangkar dapat diatur,
maka kecepatan putar motor pun dapat dikendalikan. Metode ini jarang
digunakan, karena menimbulkan rugi panas yang cukup besar.
Gambar 2.14 Pengaturan putaran dengan Meode Arus Armatur
2.7.3 Pengaturan Putaran Dengan Metode Ward Leonard
Pengaturan putaran Ward Leonard dilaksanakan dengan mengubah
tegangan jepit (U) dimana fluks magnet motor konstan. Penggerak mula yang
biasanya motor induksi berkecepatan konstan dipergunakan untuk menggerakan
generator (G). Tegangan keluaran dari generator kemudian menjadi input bagi
motor untuk berputar.
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Pengaturan putaran dengan Metode Ward Leonard
2. 8 Rugi-Rugi Motor DC
Motor DC menerima daya masukan berupa energi listrik dan
menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh
daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada
energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang
hilang tersebutlah yang disebut dengan rugi-rugi.
Rugi-rugi yang terjadi pada mesin listrik seperti halnya generator atau
motor terbagi dalam tiga kelompok utama yaitu Rugi tembaga, rugi besi serta rugi
gesekan dan celah udara. Semua kerugian ini menghasilkan panas pada beberapa
bagian mesin. Hal ini memerlukan daya yang cukup besar yang harus diberikan
pada mesin. Rugi-rugi yang terjadi di dalam motor dc dapat dibagi ke dalam lima
kategori dasar
yaitu :
Rugi-Rugi Tembaga
Rugi-Rugi Sikat
22
Universitas Sumatera Utara
Rugi-Rugi Inti
Rugi-Rugi Mekanis
Rugi-Rugi Beban Stray
2. 9 Efisiensi Motor DC
Daya masukan yang diterima oleh motor DC berupa daya listrik,
sedangkan daya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak
rotor, sedangkanselisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut
rugi-rugi.
Daya Keluaran = Daya Masukan – Σ Rugi – Rugi ........................... (2.14)
Dengandemikian, efisiensi suatu motor DC diperoleh dengan :
� � � � � =
a a Kel ara
� � �������
x
%............................................................. (2.15)
23
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Motor listrik adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Salah satu jenis motor listrik
adalah motor arus searah, atau biasa disebut motor DC. Motor DC adalah adalah
salah satu jenis motor listrik yang membutuhkan suplai tegangan arus searah pada
kumparan medan dan kumparan jangkar untuk diubah menjadi energi mekanik.
Kumparan medan atau bagian yang berputar disebut rotor, dan kumparan jangkar
atau bagian yang diam disebut stator.
Salah satu jenis motor DC berdasarkan rangkaian penguatannya adalah
motor DC berpenguatan shunt. Motor DC berpenguatan shunt dikenal dengan
kecepatan putar yang konstan dan tidak tergantung pada besaran nilai bebannya.
Dengan keuntungan kecepatan yang konstan tersebut, dan juga dengan kapasitas
daya yang relatif besar, Motor DC menjadi salah satu pilihan terbaik bagi dunia
industri untuk banyak digunakan atau diaplikasikan pada peralatan listrik,
misalnya pada penggerak beban mekanik.
Dalam pengaplikasiannya, diharapkan bahwa penggunaan motor bisa
bekerja dengan efisien.
Pada motor DC ada beberapa metode yang bisa
digunakan untuk mengatur efisiensi melalui kecepatan putar motornya. Setiap
metode memengaruhi kecepatan,rugi-rugidanefisiensi daripada motor tersebut.
1
Universitas Sumatera Utara
Dengan demikian, pengujian pada motor dengan beberapa metode untuk
mendapatkan efisiensi yang terbaik menjadi sangat penting untuk dulakukan.
1.2. Rumusan Masalah
Adapun beberapa hal yang menjadi rumusan masalah dalan tugas akhir ini
adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana pengaruh pengaturan putaran dengan menggunakan
metode pengaturan Flux Magnet terhadap efisiensi motor DC Shunt.
2. Bagaimana pengaruh pengaturan putaran dengan menggunakan
metode pengaturan Ward Leonard terhadap efisiensi motor DC Shunt.
3. Diantara metode yang dibandingkan, metode manakah yang memiliki
efisiensi yang paling baik.
1.3. Tujuan Penulisan
Adapun beberapa hal yang menjadi tujuan dari penulisan tugas akhir ini
adalah sebagai berikut ;
1. Untuk mengetahui pengaruh metode pengaturan putaran Flux Magnet
terhadap efisiensi motor.
2. Untuk mengetahui pengaruh metode pengaturan putaran Ward
Leonard terhadap efisiensi motor.
3. Untuk mengetahui metode mana yang paling efisien pada pengaturan
motor DC shunt antara metode Flux Magnet dengan metode Ward
Leonard.
2
Universitas Sumatera Utara
1.4. Batasan Masalah
Adapun beberaoa hal yang menjadi batasan masalah pada penulisan
tugasakhir ini adalahsebagai berikut :
1. Motor DC yang digunakan adalah motor DC dengan penguatan shunt.
2. Hanya membahas bagaimana pengaruh putaran terhadap rugirugidanefisiensi
3. Rugi-rugi yang dibahas hanya pada percobaan dengan metode flux
magnet, pada percobaan metode Ward Leonard, rugi-rugi tidak
diperhitungkan.
4. Analisis perhitungan dilakukan berdasarkan peralatan yang tersedia di
Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Sumatera Utara.
1.5.Manfaat Penulisan
Adapun manfaat yang diharapakan dari penulisan tugas akhir ini
adalahsebagai berikut :
1. Sebagai salah satu tolak ukur dalam memilih metode pengaturan
putaran motor DC shunt berdasarkan parameter efisiensinya.
2. Memberikan ruang wawasan bagi mahasiswa lain untuk dapat
mempelajari lebih lanjut.
3
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Motor listrik merupakan perangkat elekromagnetis yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik terbagi menjadi beberapa jenis, salah
satunya adalah Motor DC. Motor DC memerlukan tegangan searah pada kumparan
medan untuk diubah menjadi energi mekanik.
Dalam proses pengubahan energi tersebut, terdapat beberapa proses yang
terjadi pada motor dc, salah satu proses yang terjadi adalah pengaturan putaran motor.
Pada motor dc, terdapat beberapa metode dalam melakukan pengaturan putaran
motor. Pengaturan yang terdapat pada motor dc ialah pengaturan putaran dengan
metode flux magnet, tahanan jangkar, dan tegangan terminal (ward leonard). Setiap
metode memengaruhi kinerja atau efisiensi motor.
Pada penelitian ini, penulis memilih untuk melakukan pengujian bagaimana
pengaruh dari pengaturan putaran motor dengan metode flux magnet dan metode
ward leonard terhadap efisiensi motor. Setelah mengetahui bagaimana pengaruh
setiap metode terhadap efisiensi motor, penulis melakukan perbandingan efisiensi
dari metode-metode yang dilakukan.
Kata kunci : efisiensi, flux magnet, ward leonard
i
Universitas Sumatera Utara
TUGAS AKHIR
ANALISIS PERBANDINGAN PENGATURAN KECEPATAN DENGAN
METODE FLUX MAGNET DAN METODE WARD LEONARD
TERHADAP EFISIENSI PADA MOTOR DC SHUNT
(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik USU)
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Energi
Oleh:
GODELIFO SITANGGANG
NIM :120402122
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
ABSTRAK
Motor listrik merupakan perangkat elekromagnetis yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik terbagi menjadi beberapa jenis, salah
satunya adalah Motor DC. Motor DC memerlukan tegangan searah pada kumparan
medan untuk diubah menjadi energi mekanik.
Dalam proses pengubahan energi tersebut, terdapat beberapa proses yang
terjadi pada motor dc, salah satu proses yang terjadi adalah pengaturan putaran motor.
Pada motor dc, terdapat beberapa metode dalam melakukan pengaturan putaran
motor. Pengaturan yang terdapat pada motor dc ialah pengaturan putaran dengan
metode flux magnet, tahanan jangkar, dan tegangan terminal (ward leonard). Setiap
metode memengaruhi kinerja atau efisiensi motor.
Pada penelitian ini, penulis memilih untuk melakukan pengujian bagaimana
pengaruh dari pengaturan putaran motor dengan metode flux magnet dan metode
ward leonard terhadap efisiensi motor. Setelah mengetahui bagaimana pengaruh
setiap metode terhadap efisiensi motor, penulis melakukan perbandingan efisiensi
dari metode-metode yang dilakukan.
Kata kunci : efisiensi, flux magnet, ward leonard
i
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur atas rahmat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat
dan karuniaNya Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik oleh penulis.
Tugas Akhir ini adalah bagian dari kurikulum yang harus ditempuh sebagai
salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir
ini adalah :
ANALISIS PERBANDINGAN PENGATURAN KECEPATAN DENGAN
METODE FLUX MAGNET DAN WARD LEONARD TERHADAP EFISIENSI
PADA MOTOR DC SHUNT
(APLIKASI PADA LABORATORIUM DASAR KONVERSI ENERGI USU)
Tugas Akhir ini juga penulis persembahkan secara khusus kepada kedua
orang penulis, Ayahanda ( Gustafinus Sitanggang) dan Mama ( Normawaty Br.
Siringoringo) serta abang dan kakak tersayang ( Rupina, Bihara W, Marice, Modesto,
Guido, Bulan Indah, Bintang) yang selalu memberikan semangat dan mendoakan
penulis selama menempuh pendidikan di Universitas Sumatera Utara.
Selama menjalani kuliah hingga penyelesaian tugas akhir ini, penulis juga
banyak mendapatkan dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis
juga ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
ii
Universitas Sumatera Utara
1. Bapak Ir. Raja Harahap, M.T. , selalu Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang
telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya dalam membimbing, dan
mengarahkan penulis agar dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan
sebaik-baiknya.
2. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.S. , selaku Dosen Penguji I dan selaku Kepala
Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Sumatera Utara, yang telah
banyak memberikan kritik dan saran yang membangun serta memberikan
waktu dan tempat penelitian di laboratorium USU.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. , selaku Dosen Penguji II dan selaku
Ketua Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara, yang telah
banyak memberikan motivasi dan saran yang memicu semangat penulis untuk
segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. Syahrawardi, selaku Dosen Pembimbing Akademik penulis, yang
selama ini telah banyak memberikan arahan dan wejangan selama menjalani
masa perkuliahan di USU.
5. Seluruh bapak/ Ibu Dosen Pengajar Di Departemen Teknik Elektro, yang telah
memberikan dan membagikan ilmu pengetahuan yang sangat berharga bagi
penulis.
6. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro yang telah membantu proses
administrasi penulis selama perkuliahan.
7. Kepada Keluarga Besar Corona Mea Vos Estis, teriring khusus, kepada Ketua
CMVE Medan, Abangda Alex Bintana Bukit, S.H, yang telah menjadi bintang
yang bercahaya bagi kehidupan penulis.
iii
Universitas Sumatera Utara
8. Kepada Keluarga Besar Kenanga Sari, Evi Santi dan Anza, yang telah
menjadi kemilau kembang api yang tak pernah berkesudahan kemeriahannya.
9. Kepada Keluarga Besar Pondok Keluarga, David Rumbun, Dedi, Afriando,
dkk, yang menjadi teman bermain penulis.
10. Kepada sahabat, Albertwan Benjamin, teman seperjuangan Kerja Praktek.
11. Kepada para Lae dan Appara Teknik Elektro 2012, Santo D Siringoringo,
Melkisedek Sitanggang, Mangihut Simatupang, Jonner silitonga, David
Situmorang, Riovan Sipahutar, Ricart, dkk.
12. Kepada Sahabat lama, Arkadius Manurung, semoga nasib mempertemukan
kita di masa depan.
13. Kepada Ilham Bagus Setiawan, yang menjadi teman penulis dalam melakukan
percobaan.
14. Kepada para senior dan adek adek junior, yang tidak dapat disebutkan satu
persatu.
15. Kepada Namboru Tiur, Lae manurung, Tulang Sahata, Nanguda balam,
nanguda binjai, semua keluarga besar sitanggang dan siringoringo. Mauliate.
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK..………………………………………………………………………...i
KATAPENGANTAR………………………………………………………………ii
DAFTAR ISI………………………………………………………………………. v
DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………… ix
DAFTAR TABEL…………………………………………………………………. xi
DAFTAR LAMPIRAN………………………………………………………......... xii
BAB I PENDAHULUAN……………………………………………………….... 1
1.1 Latar Belakang…………………………………………………………. 1
1.2 Rumusan Masalah……………………………………………………… 2
1.3 Tujuan Penelitian………………………………………………………. 2
1.4 Batasan Masalah……………………………………………………….. 3
1.5 Manfaat Penulisan……………………………………………………… 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………... ……... 4
2.1 Motor DC…………………………………………………………........ 4
2.2 Konstruksi Motor…………………………………………………........ 5
2.3 Prinsip Kerja Motor DC……………………………………………….. 10
2.4 Reaksi jangkar……………………………………………
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
DAFTAR PUSTAKA
Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik”, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1998.
Yon, Rujiono, “Dasar Teknik Tenaga Listrik”, Penerbit ANDI, Yogyakarta,1997.
Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar-Dasar Mesin Listrik. Djambatan. Jakarta.
Hidayat, Bambang. 2014, “Pengaruh Pengaturan Kecepatan Menggunakan
Metode Pengaturan Fluksi Terhadap Efisiensi Pada Motor Arus Searah Kompon”,
Singuda Ensikom Jurnal. Volume 9, No.2,
http://jurnal.usu.ac.id/singuda_ensikom/article/view/8288, 10 Okt 2016.
Sihombing, Jesayas. 2014. “ Pengaruh Posisi Sikat Dan Penambahan Kutub Bantu
Terhadap Efisiensi Dan Torsi Motor Dc Shunt”, Singuda Ensikom Jurnal Volume
8, No. 3,
http://jurnal.usu.ac.id/singuda_ensikom/article/view/7528/3998, 10 Des 2016.
47
Universitas Sumatera Utara
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Pengambilan data dalam penelitian tugas akhir ini akan dilakukan di
Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara pada tanggal 1- 5 Desember 2016.
3.2 Metode Pengumpulan Data
Salah satu hal yang sangat penting dalam melakukan penelitian adalah
metode pengumpulan data. Kesalahan yang terjadi dalam proses pengumpulan
data dapat menyebabkan proses analisis data menjadi rumit dan rentan terhadap
tingkat akurasi hasil penelitian yang buruk. Pada penelitian ini, penulis memilih
beberapa metode, diantaranya :
3.2.1. Metode Dokumentasi
Metode dokumentasi adalah suatu metode yang menggunakan catatan atas
kejadian-kejadian yang telah terjadi, catatan tersebut dapat berupa tulisan maupun
gambar. Pada penelitian ini penulis melakukan metode dokumentasi dari tulisantulisan yang berupa buku-buku, yang meyangkut tentang bagaimana pengaturan
putaran motor dc dengan metode-metode yang dapat digunakan.
24
Universitas Sumatera Utara
3.2.2. Metode Observasi
Metode obsevasi yang dilakukan penulis adalah dengan melakukan
pengamatan dan pencatatan secara sistemik tehadap data-data yang menyangkut
tentang penelitian, dimana penelitian dilakukan dengan cara melakukan percobaan
pada pengaturan putaran motor dc shunt. Setalah melakukan percobaan, penulis
melakukan analisis dan interpretasi terhadap hasil percobaan dan kenudian
menarik kesimpulan atas hasil penelitian.
3.3 Bahan dan Peralatan
Pada penelitian ini terdapat dua jenis percobaan yang dilakukan :
3.3.1 Percobaan Dengan Metode Flux Magnet
Bahan dan peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Motor dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
P = 1,2 kW
IL =7,1 A
n = 1400 rpm
Jumlah kutub = 4
Kelas Isolasi = B
Tahanan Medan Shunt = 1,168 kOhm
Tahanan Jangkar = 4,5 Ohm
2. Generator dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
P = 2 kW
25
Universitas Sumatera Utara
IL = 9,1 A
n = 150 rpm
Kelas Isolasi = B
Type GNF 110/140 Penguatan Bebas
3. Tahanan Geser ( 5 Buah )
4. Tachometer ( 2 buah )
5. Kabel Penghubung
6. Multimeter (5 buah)
7. Power Supply ( 1 PTAC dan 1 PTDC )
8. Penyearah diode 3 phasa gelombang penuh
3.3.2 Percobaan Dengan Metode Ward Leonard
Bahan dan peralatan yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Motor dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
P = 1,2 kW
IL =7,1 A
n = 1400 rpm
Jumlah kutub = 4
Kelas Isolasi = B
Tahanan Medan Shunt = 1,168 kOhm
Tahanan Jangkar = 4,5 Ohm
2. Generator dc, dengan spesifikasi :
V = 220 volt
26
Universitas Sumatera Utara
P = 2 kW
IL = 9,1 A
n = 150 rpm
Kelas Isolasi = B
Type GNF 110/140 Penguatan Bebas
3. Motor Induksi, dengan spesifikasi :
V = 220/380
IL = 10,7/6,2 A
Kelas Isolasi = B-F
P = 2,2 kW
f = 50 Hz
Type AEG CAM 112 AM 112MU 4RI
4. Tachometer ( 2 buah )
5. Kabel Penghubung
6. Multimeter (4 buah)
7. Power Supply ( 1 PTAC dan 1 PTDC )
27
Universitas Sumatera Utara
3.4 Rangkaian dan Prosedur Percobaan
3.4.1 Percobaan Dengan Metode Flux Magnet
Rangkaian Percobaan Tanpa Beban
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengaturan Putaran dengan Metode
Flux Magnet Tanpa Beban
Prosedur Percobaan Tanpa Beban
1. Peralatan dirangkai seperti gambar 4.1
2. Switch on PTAC
3. Atur besar nilai tegangan terminal ( Vt) secara perlahan hingga 200 volt
4. Catat nilai arus jangkar, arus jala-jala, arus medan shunt, dan putaran
motor pada setiap nilai tahanan mulai dari 20 hingga 200.
5. Turunkan nilai tegangan terminal hingga nol perlahan lahan lalu switch off
autotrafo.
6. Percobaan Selesai.
28
Universitas Sumatera Utara
Rangkaian Percobaan Tanpa Beban
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengaturan Putaran dengan Metode
Flux Magnet Berbeban
Prosedur Percobaan Tanpa Beban
1. Peralatan dirangkai seperti gambar 4.2
2. Switch on PTAC
3. Atur besar nilai tegangan terminal ( Vt) secara perlahan hingga 200 volt
4. Catat nilai arus jangkar, arus jala-jala, arus medan shunt, dan putaran
motor pada setiap nilai tahanan mulai dari 20 hingga 200.
5. Turunkan nilai tegangan terminal hingga nol perlahan lahan lalu switch off
autotrafo.
6. Percobaan selesai.
29
Universitas Sumatera Utara
3.4.2 Percobaan Dengan Metode Ward Leonard
Rangkaian Percobaan
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Pengaturan Putaran dengan Metode
Ward Leonard
Prosedur Percobaan Tanpa Beban
1. Peralatan dirangkai seperti gambar 4.3
2. Switch on PTAC
3. Atur nilai tegangan ( Vac ) = 220 volt
4. Switch on PTDC
5. Catat nilai arus jangkar, arus medan, arus jala-jala dan putaran motor pada
nilai tegangan ( Vdc ) mulai dari 15 volt hingga 150.
6. Turunkan secara perlahan nilai tegangan ( Vdc ) hingga nol.
7. Switch off PTDC
8. Turunkan secara perlahan nilai tegangan ( Vac ) hingga nol.
9. Swich off autotrafo.
10. Percobaan selesai.
30
Universitas Sumatera Utara
3.5 Variabel Yang Diamati
3.5.1 Variabel Dengan Metode Flux Magnet
1. Nilai arus jangkar (Ia)
2. Nilai arus jala-jala (IL)
3. Nilai arus shunt (Ish)
4. Putaran motor
3.5.2 Variabel Dengan Metode Ward Leonard
1. Nilai arus jangkar (Ia)
2. Nilai arus jala-jala(IL)
3.Arus frekuensi (If)
4. Putaran motor
31
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Umum
Untuk mengetahui bagaimana
pengaturan kecepatan
dengan metode
pengaturan flux magnet dan metode ward leonard pada motor dc shunt, maka
perlu dilakukan suatu percobaan ataupun pengujian. Dengan mengetahui
bagaimana pengaturan masing masing metode berjalan, maka dari hasil yang
didapatkan dapat dibandingkan pengaturan manakah yang paling baik dengan
menjadikan efisiensi sebagai tolak ukur pada masing masing metode pengaturan.
4.2 Data Percobaan
Pada penelitian ini, penulis melakukan percobaan di Laboratorium
Konversi Energi Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU. Data yang
diperoleh dari percobaan tersebut adalah sebagai berikut dan ditampilkan juga
pada lampiran.
4.2.1 Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Flux Magnet
A. Percobaan Tak Berbeban
32
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Dengan Metode Flux Magnet Pada
Kondisi tak Berbeban
V = 200 Volt
R1
Ia
Ish
IL
N
20
1,48
0,17
1,65
1605
40
1,5
0,16
1,66
1633
60
1,52
0,16
1,68
1648
80
1,53
0,15
1,68
1663
100
1,54
0,15
1,69
1701
120
1,55
0,15
1,70
1725
140
1,55
0,14
1,69
1741
160
1,56
0,14
1,70
1760
180
1,57
0,13
1,70
1784
200
1,58
0,13
1,71
1806
B. Percoban Berbeban
Tabel 4.2 Data Hasil Pengukuran Dengan Metode Flux Magnet Pada
Kondisi Berbeban
V = 200 Volt
R1
Ia
Ish
IL
N
20
2,15
0,17
2,32
1553
40
2,19
0,16
2,35
1564
60
2,22
0,16
2,38
1571
33
Universitas Sumatera Utara
R1
Ia
Ish
IL
N
80
2,23
0,16
2,39
1579
100
2,26
0,16
2,42
1599
120
2,30
0,15
2,45
1621
140
2,33
0,15
2,48
1636
160
2,35
0,15
2,50
1644
180
2,37
0,14
2,51
1659
200
2,39
0,14
2,53
1675
4.2.2 Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Flux Ward Leonard
Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Dengan Metode Ward Leonard
Vt
Ia
IL
If
N
15
1,32
1.35
0,03
736
30
1,10
1.15
0,05
1186
45
1,02
1.09
0,07
1257
60
1,04
1.14
0,10
1365
75
1,08
1.21
0,13
1438
90
1,13
1.28
0,15
1497
105
1,19
1.37
0,18
1545
120
1,25
1.47
0,22
1597
135
1,32
1.57
0,25
1644
150
1,44
1.72
0,28
1708
34
Universitas Sumatera Utara
4.3 Analisis Data
Dari data percobaan diatas, maka dapat dilakukan analisis perhitungan
sebagai berikut :
4.3.1 Pengaturan Kecepatan dengan Metode Flux Magnet
Untuk dapat menentukan nilai rugi rugi pada motor, maka harus dilakukan
pengujian pada motor yang tak berbeban, sedangkan untuk menentukan nilai
efisiensi maka harus dilakukan pengujian pada motor dengan kondisi berbeban.
Percobaan kondisi tak berbeban
Daya masukan pada kondisi tak berbeban ditentukan dengan formula :
P(in) = Vt x IL
Pada kondisi tak berbeban, daya masukan berfungsi untuk melayani rugi
rugi yang terdapat pada motor, yang diantara adalah sebagai berikut :
-Rugi rugi tembaga
Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi yang terdapat pada kumparan jangkar
dan kumparan medan shunt. Rugi-rugi tembaga ditentukan dengan formula
sebagai berikut :
P(cu-total)o= ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
-Rugi-rugi konstan
Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi besi dan rugi-rugi angin. Rugi-rugi
tersebut ditentukan dengan dengan formula sebagai berikut :
35
Universitas Sumatera Utara
Pkonstan= (Pin)o – (Pcu-total)o
Percobaan kondisi berbeban
Daya masukan pada kondisi berbeban dapat ditentukan dengan formula
sebagai berikut :
Pin= Vt x IL
Pada kondisi ini, daya masukan berfungsi untuk melayani beban serta
rugi-rugi pada motor, yang diantara sebagai berikut:
− Rugi-rugi tembaga :
P(cu-total) = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
− Rugi-rugi total.
Rugi-rugi total adalah akumulasi besarnya nilai rugi-rugi tembaga dan
rugi-rugi konstan. Dapat dituliskan dengan formula sebagai berikut :
Σ Rugi-Rugi =Pcu-total + Pkonstan
Sehingga daya yang digunakan untuk melayani beban adalah :
Pout = Pin – Σ Rugi-Rugi
Efisiensi motor dc shunt adalah persen dari besarnya daya yang keluar
dibandingkan dengan besarnya daya yang masuk pada motor, atau dapat
diformulasikan sebagai berikut :
η=
P
Pi
x
%
Untuk mengetahui nilai torsi pada motor, maka harus ditentukan dulu besar nilai
ggl armatur pada motor :
36
Universitas Sumatera Utara
Ea = Vt – Ia x Ra
Perubahan Fluksi :
CØ =
a
Dengan analisis pehitungan seperti di atas berserta data-data yang telah
diperoleh melalui percobaan, maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut :
Pada saat R1 = 20
Kondisi tak berbeban
P(in)0 = Vt x IL
P(in)0 = 200 x 1,65
P(in)0 = 330 Watt
P(cu-total)0 = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
P(cu-total)0 = (1,48)2 x 3,8 + (0,17)2 x 1250
P(cu-total)0 = 44,44
Pkonstan= (Pin)o – (Pcu-total)o
Pkonstan= 330 – 44,44
Pkonstan= 285,55 Watt
Kondisi Berbeban
P(in) = Vt x IL
P(in) = 200 x 2,32
37
Universitas Sumatera Utara
P(in) = 464 Watt
P(cu-total) = ( Ia )2 x Ra + ( Ish )2 x Rsh
P(cu-total) = (2,15)2 x 3,8 + (0,17)2 x 1250
P(cu-total) = 53,69
Pout = P(in) - P(cu-total) - Pkonstan
Pout = 464 - 53,67 - 284,55
Pout = 124,75 Watt
η=
η=
P
Pi
,
x
x
η = 26,88 %
%
%
Ea = Vt – Ia x Ra
Ea = 200 – 2,15 x 3,8
Ea = 191,83
CØ =
191,83
1553
CØ = 0,1235
Dengan merunut perhitungan di atas, nilai R1 mulai dari 40 hingga 200
ohm dapat ditentukan dengan menggunakan tabel di bawah ini dan perhitungan
terperinci dapat dilihat pada lampiran.
38
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.4 Data Hasil Analisis Dengan Metode Flux Magnet
R1(ohm)
Ia(Amp)
Ish(Amp)
IL(Amp)
N(rpm)
η(%)
CØ
20
2,15
0,17
2,32
1553
26,88
0.1235
40
2,19
0,16
2,35
1564
27,30
0.1225
60
2,22
0,16
2,38
1571
27,32
0.1219
80
2,23
0,16
2,39
1579
26,80
0.1212
100
2,26
0,16
2,42
1599
27,21
0.1197
120
2,30
0,15
2,45
1621
28,37
0.1179
140
2,33
0,15
2,48
1636
28,80
0.1168
160
2,35
0,15
2,50
1644
28,92
0.1162
180
2,37
0,14
2,51
1659
29,21
0.1151
200
2,39
0,14
2,53
1675
29,32
0.1139
4.3.2 Pengaturan Kecepatan dengan Metode Ward Leonard
Untuk menentukan besar nilai Torsi pada motor dc shunt, maka
sebelumnya harus terlebih dahulu didapatkan besar nilai perubahan fluks dan
besar nilai ggl motor.
Besar nilai perubahan fluks ditulis dengan formula :
CØ =
Vt − Ia x Ra
n
39
Universitas Sumatera Utara
Kemudian, Besar ggl motor ditulis dengan formula :
Ea = Vt- Ia x Ra
Setelah mendapatkan besar nilai perubahan fluks dan ggl motor, maka
besar nilai Torsi pun dapat ditentukan. Besar nilai torsi ditulis dengan formula :
Ea x Ia
πN
Ta =
Selanjutnya, dari besar torsi yang telah diketahui, maka daya keluaran motor
dapat ditentukan. Besar daya keluaran motor ditulis dengan formula :
πNT
Pout =
Untuk menentukan besar efisiensi suatu motor dc shunt, maka terlebih
dahulu harus diketahui besar nilai daya yang masuk dan besar nilai daya yang
keluar. Besar daya yang masuk pada motor dc shunt adalah sebesar :
Pin = Vt x IL
Setelah nilai daya masuk dan daya keluar didapatkan, maka efisiensi motor dc
shunt pun dapat ditentukan. Efisiensi Motor dc shunt :
η=
P
Pi
x
%
Dengan analisis pehitungan seperti di atas berserta data-data yang telah
diperoleh melalui percobaan, maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut :
Pada saat Vt = 15 Volt
40
Universitas Sumatera Utara
CØ =
Vt − Ia x Ra
n
− ,
CØ =
x ,
CØ = 0.019103261
Ea = Vt- Ia x Ra
Ea = 15- 1,32x 0,38
Ea = 14.4984
Ta =
Ea x Ia
πN
Ta =
.
x ,
Ta =0.004141
Pout =
Pout =
πNT
x ,
x ,
x
x 0.004141
Pout = 19.13789
Pin = Vt x IL
41
Universitas Sumatera Utara
Pin = 15 x 1.35
Pin = 20.25
η=
P
η=
x
Pi
.
.
η = 94.50 %
x
%
%
Dengan merunut perhitungan di atas, nilai Vt mulai dari 30 hingga 150
volt dapat ditentukan dengan menggunakan tabel di bawah ini dan untuk
perhitungan lebih terperinci dapat dilihat pada lampiran.
Tabel 4.5 Data Hasil Analisis Dengan Metode Ward Leonard
CØ
N (rpm)
η(%)
15
1,32
1.35
0,03
0.0191
Ta(Nm)
0.0041
736
94.50
30
1,10
1.15
0,05
0.0246
0.0043
1186
94.31
45
1,02
1.09
0,07
0.0352
0.0057
1257
92.77
60
1,04
1.14
0,10
0.0434
0.0072
1365
90.62
75
1,08
1.21
0,13
0.0516
0.0089
1438
88.76
90
1,13
1.28
0,15
0.0596
0.0107
1497
87.86
105
1,19
1.37
0,18
0.0674
0.0128
1545
86.48
120
1,25
1.47
0,22
0.0745
0.0148
1597
84.69
135
1,32
1.57
0,25
0.0815
0.0171
1644
83.76
150
1,44
1.72
0,28
0.0872
0.0200
1708
83.41
Vt(V) Ia(A) IL(A) If(A)
42
Universitas Sumatera Utara
4.4 Grafik Pengujian
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara fluksi dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode flux magnet :
Putaran (rpm)
Fluksi Vs Putaran
1700
1680
1660
1640
1620
1600
1580
1560
1540
1520
1500
1480
0.1139 0.1151 0.1162 0.1168 0.1179 0.1197 0.1212 0.1219 0.1225 0.1235
Fluksi
Gambar 4.1 Grafik Fluksi Vs Putaran
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara efisiensi dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode flux magnet :
Putaran (rpm)
Efisiensi Vs Putaran
1700
1680
1660
1640
1620
1600
1580
1560
1540
1520
1500
1480
26,88 27,30 27,32 26,80 27,21 28,37 28,80 28,92 29,21 29,32
Efisiensi (%)
Gambar 4.2 Efisiensi Vs Putaran
43
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara tegangan dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode ward leonard :
Tegangan Vs Putaran
1800
1600
Putaran (rpm)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
Tegangan (Volt)
Gambar 4.3 Tegangan Vs Putaran
Berikut adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara efisiensi dan
putaran dalam percobaan pengaturan putaran dengan metode ward leonard :
Putaran vs Efisiensi
1800
1600
1400
putaran
1200
1000
800
600
400
200
0
94.50 94.31 92.77 90.62 88.76 87.86 86.48 84.69 83.76 83.41
efisiensi
Gambar 4.4 Grafik Efisiensi Vs Putaran
44
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari penelitian ini diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Dari hasil analisis pada percobaan pengaturan putaran motor dc shunt
dengan metode flux magnet didapat bahwa semakin besar nilai tahanan
yang diuji maka semakin besar nilai efisiensi yang didapat. Pada
percobaan ini, efisiensi terkecil adalah 26,88%, yakni ketika tahanan yang
digunakan sebesar 20 ohm, dan efisiensi terbesar didapat pada pengujian
tahanan sebesar 200 ohm, yakni 29,32%.
2. Dari hasil analisis pada percobaan pengaturan putaran motor dc shunt
dengan metode ward leonard didapat bahwa semakin besar nilai tegangan
yang digunakan maka semakin kecil efisiensi yang didapatkan. Pada
percobaan ini, efisiensi terkecil adalah sebesar 83,41%, yakni ketika nilai
tegangan yang digunakan sebesar 150 vot, dan efisiensi terbesar didapat
pada pengujian tegangan sebesar 15 volt, yakni 94.50%.
3. Dari hasil analisis pada kedua percobaan yang dilakukan, yakni
pengaturan putaran motor dc shunt dengan metode flux magnet dan
metode ward leonard didapat bahwa pengaturan putaran dengan metode
ward leonard memiliki efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan
metode flux magnet.
45
Universitas Sumatera Utara
5.2 Saran
Dari penelitian ini, ada beberapa saran yang diajukan oleh penulis untuk
penelitian selanjutnya, diantaranya :
1. Untuk penulis selanjutnya yang melakukan percobaan di Laboratorium
Konvesi Energi Universitas Sumatera Utara, diharapkan untuk lebih teliti
dalam melakukan percobaan karena kesalahan dalam pengambilan data
sangat memengaruhi tingkat akurasi hasil penelitian.
2. Untuk penelitian selanjutnya dihapakan agar besar nilai tahanan geser
lebih bervariasi untuk dapat mempermudah pengaturan perbandingan yang
dilakukan.
3. Penelitian selanjutnya dapat dilakukan dengan melakukan variasi
perbandingan metode yang digunakan dalam pengaturan putaran motor dc
shunt.
4. Penelitian selanjutnya dapat dilakukan dengan mengganti tolak ukur
kinerja motor motor dengan meneliti bagaimana pengaruh besar nilai
tegangan atau tahanan pada perubahan nilai rugi-rugi pada motor.
46
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Motor DC
Motor DC adalah suatu mesin yang mengubah energi listrik arus searah
(energi lisrik DC) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran rotor.
[1]
Pada
dasarnya, motor arus searah adalah sama dengan mesin arus bolak balik, kecuali
bahwa motor arus searah memiliki suatu komutator, yang berfungsi untuk
mengubah tegangan bolak balik menjadi tegangan searah. Berdasarkan prinsip
operasinya, motor arus searah juga memiliki banyak kesamaan dengan generator
arus searah, bahkan sering diidentikkan. Hal
itu terbukti dengan melihat
kenyataanya bahwa mesin yang bekerja sebagai generator searah dapat juga
bekerja sebagai motor arus searah.
Berdasarkan konstruksinya, secara umum motor arus searah dibagi
menjadi dua bagian, yakni bagian stator ( bagian yang diam ) dan baigan rotor
( bagian yang bergerak ). Stator merupakan bagian dimana kumparan medan
bekerja menghasilkan fluksi magnet dan rotor merupakan bagian dimana
rangkaian jangkar diletakkan, seperti kumparan jangkar, komutator, dan sikat.
Motor arus searah bekerja bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua
fluksi magnetik. Fluksi magnetik yang pertama dihasilkan oleh kumparan medan,
yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Selanjutnya, di rangkaian
jangkar, kumparan jangkar juga menghasilkan fluksi magnetik dalam bentuk
melingkar. Interaksi fluks magnetik yang pertama dan fluks yang melingkar inilah
4
Universitas Sumatera Utara
yang menimbulkan suatu gaya. Gaya ini kemudian menghasilkan suatu torsi. Jika
torsi start lebih besar daripada torsi beban, maka motor akan berputar.
Pada umumnya, motor arus searah digunakan untuk melayani beban
dengan torsi start yang besar, oleh sebab itu motor arus searah harus disesuaikan
dengan kebutuhan agar bersifat ekonomis.Dan oleh sebab itu juga, motor arus
searah lebih sering digunakan, karena memiliki efisiensi yang tinggi sehingga
lebih unggul bila dibandingkan dengan motor induksi ataupun motor sinkron.
Dalam kehidupan sehari-hari, aplikasi motor arus searah dapat kita jumpai
pada motor starter mobil, tape recorder, dan berbagai jenis mainan umum lainnya.
Pada pabrikasi industri, motor arus searah digunakan untuk taksi, elevator,
convenyor, dan lain sebagainya.
2.2.
Konstruksi Motor DC
Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi
atas dua bagian, yaitu : bagian yang diam dan bagian yang bergerak. Bagian yang
diam disebut stator dan bagian yang berputar/bergerak disebut rotor. Untuk lebih
jelasnya dapat dilihat pada Gambar di bawah ini:
Gambar 2.1 Gambar Konstruksi Motor DC
5
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Konstruksi Motor DC Bagian Stator (Bagian yang diam)
Gambar 2.3 Konstruksi Motor DC Bagian Rotor (Bagian yang bergerak)
1. Badan Motor ( Rangka )
Rangka (frame atau yoke) motor arus searah adalah tempat dimana
sebagian besar komponen mesin berada dan rangka ini juga berfungsi untuk
melindungi bagian-bagianyang ada pada mesin. Oleh sebab itu, rangka harus
6
Universitas Sumatera Utara
dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki kekuatan mekanis yang tinggi
untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut.Rangka mesin arus searah
juga sama seperti mesin-mesin listrik lainnya, yang secara umum memiliki
beberapa fungsi, yaitu:
Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub
magnet.
Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.
Rangka dibuat dengan menggunakan bahan ferromagnetik yang memiliki
permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau baja
lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga
sebagai bagian dari rangkaian magnet. Tetapi, pada mesin yang ukurannya lebih
kecil, pertimbangan harga menjadi faktor yang sangat memengaruhi, oleh sebab
itu, rangka biasanya dibuat dari besi tuang. Biasanya pada badan (rangka) motor
terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan spesifikasi umum mesin atau
data-data teknik dari mesin tersebut.
2. Kutub Medan
Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub berfungsi
sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan dan juga untuk
menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar
dengan menggunakan permukaan yang melengkung. Inti kutub terbuat dari
lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang yang terisolasi satu sama lain.
Kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian
dibuat pada rangka.
7
Universitas Sumatera Utara
3. Jangkar
Pada
umumnya,
motor
arus
searah
menggunakan
inti
jangkar
berbentuksilinder yang diberi alur-alur sebagai tempat melilitkan kumparan
jangkar dimana terbentuknya ggl induksi.Inti jangkarterbuat dari bahan
ferromagnetik, sejenis baja silikon, tujuannya agar komponen-komponen (lilitan
jangkar) berada dalam daerah yang induksi magnetnya besar, dengan begitu ggl
induksi dapat bertambah besar.Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar
dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis dengan tujuan untuk mengurangi panas yang
terbentuk karena adanya arus linier.
4. Celah Udara
Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan
permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan
sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi
yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.
5. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang
disebut komutator. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang
berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang
pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan komutator terisolasi dengan baik antara
satu dengan lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya mempunyai
dua bagian yaitu :
8
Universitas Sumatera Utara
a) Komutator bar, merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutator
dengan sikat-sikat.
b) Komutator riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan
komutator dengan ujung dari lilitan jangkar.
6. Kumparan Jangkar
Kumparan
jangkar
pada
motor
arus
searah
merupakan
tempat
dibangkitkannya ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur
inti jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam,
yaitu :
a) Kumparan jerat (lap winding)
b) Kumparan gelombang (wave winding)
c) Kumparan zig-zag (frog-leg winding)
7. Kumparan Medan
Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti
kutub.
Dimana konduktor tersebut
terbuat
dari kawat
tembaga
yang
berbentukbulat atapun persegi. Rangkaian medan yang berfungsi untuk
menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub. Pada
aplikasinya rangkaian medan dapat dihubungkan dengan kumparan jangkar baik
seri maupun paralel dan juga dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber
tegangan sesuai dengan jenis penguatan pada motor.
9
Universitas Sumatera Utara
8. Sikat
Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana permukaan
sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat
memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat-sikat terbuat dari bahan
karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal
dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada
segmen-segmen komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen
komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator.
2.3.Prinsip Kerja Motor DC
Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi fluksi magnetik. Pada saat
kumparan medan dan kumparan jangakar dihubungkan dengan sumber tegangan
DC, maka mengalirlah arus medan pada kumparan medan. Mengingat bahwa arus
listrik yang mengalir melalui suatu hantaran merupakan aliran elektron, maka
pada sekitar hantaran listrik terseut akan timbul suatu medan magnet. Medan
magnet tersebut kemudian disebut fluksi magnet, yang pada kumparan medan ini
arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan
jangkar, mengalir arus jangkar, yang menyebabkan pada konduktor timbul fluksi
magnet yang melingkar. Fluksi magnet yang melingkar, yang ditimbulkan oleh
kumparan jangkar tersebut akan memotong fluksi magnet yang ada pada
kumparan medan sehingga mengakibatkan terjadinya pergeseran kerapatan fluksi
magnetik dari medan utama. Mengacu pada Hukum Lorenz, maka interaksi antara
kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu gaya, berupa gaya mekanik pada
10
Universitas Sumatera Utara
konduktor jangkar, gaya ini biasa disebut dengan gaya Lorenz. Besarnya nilai
gaya ini sesuai dengan persamaan berikut ;
F=B.i.l
....................................................................... (2.1)
Dimana :
F= gaya yang bekerja pada konduktor (N)
B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
i = arus yang mengalir pada konduktor (A)
l = panjang konduktor (m)
Gaya yang dihasilkan dari peristiwa ini memiliki arah, dan arah gaya
tersebut dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri
menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks
magnet B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan
menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.
Gambar 2.4 Kaidah Tangan Kiri Flemming
11
Universitas Sumatera Utara
2.4. Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar adalah suatu akibat yang ditimbulkan karena adanya
interaksi antara dua fluks. Interaksi ini bermula ketika kumparan medan diberi
tegangan. Tegangan ini kemudian menghasilkan arus medan pada kumparan
medan. Adanya arus medan pada kumparan medan menyebabkan timbulnya fluks
pada kumparan medan, yang arahnya dari utara menuju selatan.
Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan
Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus, sementara
kumparan medan tidak dieksitasi, maka di sekeliling konduktor jangkar timbul
garis gaya magnet atau fluksi dalam bentuk melingkar.
Gambar 2.6 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar
12
Universitas Sumatera Utara
Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar menentang fluksi medan
utama yang dihasilkan oleh kumparan medan pada setengah bagian dari salah satu
kutubnya dan memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain.
Hal ini jelas akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian
dari salah satu kutubnya dan menyebabkan penguatan pada setengah bagian yang
lain di kutub yang sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi
pada jangkar yang memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai
reaksi jangkar.
Gambar 2.7 Fluksi yang dihasilkan oleh interaksi kumparan jangkar dan
kumparan medan.
2.5 Gaya Gerak Listrik Lawan Motor Arus Searah
Proses terjadinya GGL lawan adalah suatu kumparan jangkar diberi
sumber DC. Pada kumparan-kumparan jangkar timbul torsi sehingga jangkar
berputar. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul
GGL. Arah GGL induksi tersebut berlawanan dengan arah GGL sumber yang
diberikan pada motor sehingga disebut dengan GGL lawan.
13
Universitas Sumatera Utara
Jadi GGl lawan pada motor DC adalah GGL yang terjadi pada jangkar
motor DC (pada waktu motor dioperasikan/berputar), yang disebabkan karena
jangkar tersebut berputar dalam medan magnet.
2.6 Jenis-Jenis Motor DC
Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis
penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan
jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi:
2.6.1 Motor DC Penguatan Bebas
[3]
Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang
sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Di mana kumparan medan
disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus
searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar berikut.
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Bebas
Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas :
Vt = Ea + Ia Ra ........................................................................................... (2.2)
Vf = If . Rf .................................................................................................... (2.3)
14
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Vt = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)
Ia = arus jangkar (A)
Ra = tahanan jangkar (Ohm)
If = arus medan penguatan bebas (A)
Rf = tahanan medan penguatan bebas (Ohm)
Vf = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)
Ea = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)
2.6.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang
sumber tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan
medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat
dihubungkan secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar dan dapat juga
dihubungkan dengan keduanya, yaitu secara seri dan paralel.
Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga, yaitu:
1. Motor arus searah penguatan shunt
2. Motor arus searah penguatan seri.
3. Motor arus searah penguatan kompond
15
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.1 Motor arus searah penguatan shunt
Motor shunt, motor penguat sendiri di mana lilitan penguat
magnetnyadihubungkan paralel dengan lilitan jangkar atau dihubungkan
langsungdengansumber tegangan dari luar.
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Shunt
Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor shunt adalah:
Vt = Ea + ( Ia x Ra ) ...................................................................................... (2.4)
Ish =� /� ℎ...................................................................................................(2.5)
IL = Ia + Ish .................................................................................................. (2.6)
dimana :
Vt = Tegangan jepit / tegangan masukan ke motor (Volt)
Ea = Gaya gerak listrik induksi (volt)
Ia = Arus jangkar (Ampere)
Ra = Tahanan Jangkar (Ohm)
Ish = Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere)
Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)
IL = arus dari jala – jala (Ampere)
16
Universitas Sumatera Utara
Jika persamaan di atas dikalikan dengan Ia, kita peroleh :
Vt Ia = Ea Ia + Ia2Ra ..................................................................................... (2.7)
Persamaan ini dikenal dengan persamaan daya motor DC penguatan shunt
Dimana :
Vt Ia = Ea Ia + Ia
Vt Ia = daya listrik yang diberikan ke jangkar (daya masukan jangkar)
Ea Ia = daya yang dibangkitkan oleh jangkar (daya keluaran jangkar)
Ia2Ra =daya listrik yang terbuang di dalam jangkar (rugi tembaga jangkar)
Dengan demikian diketahui bahwa dari keluaran daya masukan
jangkarsebagian kecil terbuang sebagai rugi tembaga jangkar (Ia 2Ra) dan sebagian
lainnya(EaIa) dikonversikan menjadi energi mekanis di dalam jangkar.
2.6.2.2 Motor arus searah penguatan Seri
Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan
secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada
kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar.
Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Seri
17
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.2 Motor arus searah penguatan Kompon
Konfigurasi motor arus searah tipe ini menggunakan gabungan dari
kumparan seri dan shunt/paralel. Pada motor arus searah jenis ini, kumparan
medan dihubungkan secara paralel dan seri dengan kumparan jangkar. Dengan
demikian, motor arus searah jenis ini akan memiliki torsi penyalaan awal yang
baik dan kecepatan yang stabil. Semakin tinggi persentase penggabungan, yaitu
persentase kumparan medan yang dihubungkan secara seri, maka semakin
tinggipula torsi penyalaan awal yang dapat ditangani. Motor arus searah
penguatan kompond terbagi atas dua, yaitu ;
2.6.2.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya
terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek dapat dilihat pada
Gambar berikut :
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan
Kompon Pendek
18
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.2.2. Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang
dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan
Kompon Panjang
2.7 Metode Pengaturan Putaran Putaran Motor Arus Searah
Pengaturan kecepatan memiliki pengaruh yang sangat penting pada motor
arus searah, karena motor arus searah memiliki karakteristik kopel-kecepatanyang
menguntungkan dibandingkan dengan motor jenis lainnya.
[2]
Besar gaya gerak listrik induksi pada kumparan jangkar akibat putaran
rotor yang terletak diantara kutub magnit adalah :
�� =
∅
P Z
�
N
x 10-8................................................................................... (2.8)
Dimana :
∅ = Flux Magnit perkutub (Maxwel)
N = Putaran rotor (rpm)
Atau ;
�� =
∅
P Z
�
.............................................................................................. (2.9)
19
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
�� = Gaya gerak listrik induksi (volt)
∅ = Flux Magnit perkutub (Weber)
n = Putaran Rotor
Seperti yang diketahui bahwa besarnya GGL armatur adalah :
∅
�� =
P N
Z
.............................................................................................. (2.10)
a
Atau dapat juga ditulis
Ea = C x ∅ x N .................................................................. ............................ (2.11)
Dimana:
∅ dalam weber
�=
P Z
�
....................................................................................................... (2.12)
Jadi dapat dituliskan selanjutnya
�=
V −Ia Ra
∅
..................................................................................................(2.13)
Dengan demikian, kecepatan putaran motor dapat diperoleh dengan
mengubah ubah flux magnet, arus armatur, atau peubahan tegangan sumber (Vt).
2.7.1 Pengaturan Putaran Dengan Metode Flux Magnet
Dengan menyisipkan tahanan variabel yang dipasang secara seri terhadap
kumparan medan ( pada motor shunt ), dapat diatur arus medan If dan fluxnya.
Cara ini sangat sederhana dan murah, selain itu rugi panas ang ditimbulkan sangat
kecil dampaknya.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Pengaturan putaran dengan Metode Fluxi Magnet
2.7.2 Pengaturan Putaran Dengan Metode Arus Armatur
Dengan menyisipkan tahanan variabel secara seri terhadap tahanan
jangkar, maka tahanan jangkar pun dapat diatur. Jika tahanan jangkar dapat diatur,
maka kecepatan putar motor pun dapat dikendalikan. Metode ini jarang
digunakan, karena menimbulkan rugi panas yang cukup besar.
Gambar 2.14 Pengaturan putaran dengan Meode Arus Armatur
2.7.3 Pengaturan Putaran Dengan Metode Ward Leonard
Pengaturan putaran Ward Leonard dilaksanakan dengan mengubah
tegangan jepit (U) dimana fluks magnet motor konstan. Penggerak mula yang
biasanya motor induksi berkecepatan konstan dipergunakan untuk menggerakan
generator (G). Tegangan keluaran dari generator kemudian menjadi input bagi
motor untuk berputar.
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 Pengaturan putaran dengan Metode Ward Leonard
2. 8 Rugi-Rugi Motor DC
Motor DC menerima daya masukan berupa energi listrik dan
menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh
daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada
energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang
hilang tersebutlah yang disebut dengan rugi-rugi.
Rugi-rugi yang terjadi pada mesin listrik seperti halnya generator atau
motor terbagi dalam tiga kelompok utama yaitu Rugi tembaga, rugi besi serta rugi
gesekan dan celah udara. Semua kerugian ini menghasilkan panas pada beberapa
bagian mesin. Hal ini memerlukan daya yang cukup besar yang harus diberikan
pada mesin. Rugi-rugi yang terjadi di dalam motor dc dapat dibagi ke dalam lima
kategori dasar
yaitu :
Rugi-Rugi Tembaga
Rugi-Rugi Sikat
22
Universitas Sumatera Utara
Rugi-Rugi Inti
Rugi-Rugi Mekanis
Rugi-Rugi Beban Stray
2. 9 Efisiensi Motor DC
Daya masukan yang diterima oleh motor DC berupa daya listrik,
sedangkan daya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak
rotor, sedangkanselisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut
rugi-rugi.
Daya Keluaran = Daya Masukan – Σ Rugi – Rugi ........................... (2.14)
Dengandemikian, efisiensi suatu motor DC diperoleh dengan :
� � � � � =
a a Kel ara
� � �������
x
%............................................................. (2.15)
23
Universitas Sumatera Utara
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Motor listrik adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Salah satu jenis motor listrik
adalah motor arus searah, atau biasa disebut motor DC. Motor DC adalah adalah
salah satu jenis motor listrik yang membutuhkan suplai tegangan arus searah pada
kumparan medan dan kumparan jangkar untuk diubah menjadi energi mekanik.
Kumparan medan atau bagian yang berputar disebut rotor, dan kumparan jangkar
atau bagian yang diam disebut stator.
Salah satu jenis motor DC berdasarkan rangkaian penguatannya adalah
motor DC berpenguatan shunt. Motor DC berpenguatan shunt dikenal dengan
kecepatan putar yang konstan dan tidak tergantung pada besaran nilai bebannya.
Dengan keuntungan kecepatan yang konstan tersebut, dan juga dengan kapasitas
daya yang relatif besar, Motor DC menjadi salah satu pilihan terbaik bagi dunia
industri untuk banyak digunakan atau diaplikasikan pada peralatan listrik,
misalnya pada penggerak beban mekanik.
Dalam pengaplikasiannya, diharapkan bahwa penggunaan motor bisa
bekerja dengan efisien.
Pada motor DC ada beberapa metode yang bisa
digunakan untuk mengatur efisiensi melalui kecepatan putar motornya. Setiap
metode memengaruhi kecepatan,rugi-rugidanefisiensi daripada motor tersebut.
1
Universitas Sumatera Utara
Dengan demikian, pengujian pada motor dengan beberapa metode untuk
mendapatkan efisiensi yang terbaik menjadi sangat penting untuk dulakukan.
1.2. Rumusan Masalah
Adapun beberapa hal yang menjadi rumusan masalah dalan tugas akhir ini
adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana pengaruh pengaturan putaran dengan menggunakan
metode pengaturan Flux Magnet terhadap efisiensi motor DC Shunt.
2. Bagaimana pengaruh pengaturan putaran dengan menggunakan
metode pengaturan Ward Leonard terhadap efisiensi motor DC Shunt.
3. Diantara metode yang dibandingkan, metode manakah yang memiliki
efisiensi yang paling baik.
1.3. Tujuan Penulisan
Adapun beberapa hal yang menjadi tujuan dari penulisan tugas akhir ini
adalah sebagai berikut ;
1. Untuk mengetahui pengaruh metode pengaturan putaran Flux Magnet
terhadap efisiensi motor.
2. Untuk mengetahui pengaruh metode pengaturan putaran Ward
Leonard terhadap efisiensi motor.
3. Untuk mengetahui metode mana yang paling efisien pada pengaturan
motor DC shunt antara metode Flux Magnet dengan metode Ward
Leonard.
2
Universitas Sumatera Utara
1.4. Batasan Masalah
Adapun beberaoa hal yang menjadi batasan masalah pada penulisan
tugasakhir ini adalahsebagai berikut :
1. Motor DC yang digunakan adalah motor DC dengan penguatan shunt.
2. Hanya membahas bagaimana pengaruh putaran terhadap rugirugidanefisiensi
3. Rugi-rugi yang dibahas hanya pada percobaan dengan metode flux
magnet, pada percobaan metode Ward Leonard, rugi-rugi tidak
diperhitungkan.
4. Analisis perhitungan dilakukan berdasarkan peralatan yang tersedia di
Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Sumatera Utara.
1.5.Manfaat Penulisan
Adapun manfaat yang diharapakan dari penulisan tugas akhir ini
adalahsebagai berikut :
1. Sebagai salah satu tolak ukur dalam memilih metode pengaturan
putaran motor DC shunt berdasarkan parameter efisiensinya.
2. Memberikan ruang wawasan bagi mahasiswa lain untuk dapat
mempelajari lebih lanjut.
3
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Motor listrik merupakan perangkat elekromagnetis yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik terbagi menjadi beberapa jenis, salah
satunya adalah Motor DC. Motor DC memerlukan tegangan searah pada kumparan
medan untuk diubah menjadi energi mekanik.
Dalam proses pengubahan energi tersebut, terdapat beberapa proses yang
terjadi pada motor dc, salah satu proses yang terjadi adalah pengaturan putaran motor.
Pada motor dc, terdapat beberapa metode dalam melakukan pengaturan putaran
motor. Pengaturan yang terdapat pada motor dc ialah pengaturan putaran dengan
metode flux magnet, tahanan jangkar, dan tegangan terminal (ward leonard). Setiap
metode memengaruhi kinerja atau efisiensi motor.
Pada penelitian ini, penulis memilih untuk melakukan pengujian bagaimana
pengaruh dari pengaturan putaran motor dengan metode flux magnet dan metode
ward leonard terhadap efisiensi motor. Setelah mengetahui bagaimana pengaruh
setiap metode terhadap efisiensi motor, penulis melakukan perbandingan efisiensi
dari metode-metode yang dilakukan.
Kata kunci : efisiensi, flux magnet, ward leonard
i
Universitas Sumatera Utara
TUGAS AKHIR
ANALISIS PERBANDINGAN PENGATURAN KECEPATAN DENGAN
METODE FLUX MAGNET DAN METODE WARD LEONARD
TERHADAP EFISIENSI PADA MOTOR DC SHUNT
(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik USU)
Diajukan untuk memenuhi persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Energi
Oleh:
GODELIFO SITANGGANG
NIM :120402122
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
ABSTRAK
Motor listrik merupakan perangkat elekromagnetis yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik terbagi menjadi beberapa jenis, salah
satunya adalah Motor DC. Motor DC memerlukan tegangan searah pada kumparan
medan untuk diubah menjadi energi mekanik.
Dalam proses pengubahan energi tersebut, terdapat beberapa proses yang
terjadi pada motor dc, salah satu proses yang terjadi adalah pengaturan putaran motor.
Pada motor dc, terdapat beberapa metode dalam melakukan pengaturan putaran
motor. Pengaturan yang terdapat pada motor dc ialah pengaturan putaran dengan
metode flux magnet, tahanan jangkar, dan tegangan terminal (ward leonard). Setiap
metode memengaruhi kinerja atau efisiensi motor.
Pada penelitian ini, penulis memilih untuk melakukan pengujian bagaimana
pengaruh dari pengaturan putaran motor dengan metode flux magnet dan metode
ward leonard terhadap efisiensi motor. Setelah mengetahui bagaimana pengaruh
setiap metode terhadap efisiensi motor, penulis melakukan perbandingan efisiensi
dari metode-metode yang dilakukan.
Kata kunci : efisiensi, flux magnet, ward leonard
i
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur atas rahmat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat
dan karuniaNya Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik oleh penulis.
Tugas Akhir ini adalah bagian dari kurikulum yang harus ditempuh sebagai
salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir
ini adalah :
ANALISIS PERBANDINGAN PENGATURAN KECEPATAN DENGAN
METODE FLUX MAGNET DAN WARD LEONARD TERHADAP EFISIENSI
PADA MOTOR DC SHUNT
(APLIKASI PADA LABORATORIUM DASAR KONVERSI ENERGI USU)
Tugas Akhir ini juga penulis persembahkan secara khusus kepada kedua
orang penulis, Ayahanda ( Gustafinus Sitanggang) dan Mama ( Normawaty Br.
Siringoringo) serta abang dan kakak tersayang ( Rupina, Bihara W, Marice, Modesto,
Guido, Bulan Indah, Bintang) yang selalu memberikan semangat dan mendoakan
penulis selama menempuh pendidikan di Universitas Sumatera Utara.
Selama menjalani kuliah hingga penyelesaian tugas akhir ini, penulis juga
banyak mendapatkan dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, penulis
juga ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
ii
Universitas Sumatera Utara
1. Bapak Ir. Raja Harahap, M.T. , selalu Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang
telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya dalam membimbing, dan
mengarahkan penulis agar dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan
sebaik-baiknya.
2. Bapak Ir. Syamsul Amien, M.S. , selaku Dosen Penguji I dan selaku Kepala
Laboratorium Konversi Energi Listrik Universitas Sumatera Utara, yang telah
banyak memberikan kritik dan saran yang membangun serta memberikan
waktu dan tempat penelitian di laboratorium USU.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si. , selaku Dosen Penguji II dan selaku
Ketua Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara, yang telah
banyak memberikan motivasi dan saran yang memicu semangat penulis untuk
segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ir. Syahrawardi, selaku Dosen Pembimbing Akademik penulis, yang
selama ini telah banyak memberikan arahan dan wejangan selama menjalani
masa perkuliahan di USU.
5. Seluruh bapak/ Ibu Dosen Pengajar Di Departemen Teknik Elektro, yang telah
memberikan dan membagikan ilmu pengetahuan yang sangat berharga bagi
penulis.
6. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Elektro yang telah membantu proses
administrasi penulis selama perkuliahan.
7. Kepada Keluarga Besar Corona Mea Vos Estis, teriring khusus, kepada Ketua
CMVE Medan, Abangda Alex Bintana Bukit, S.H, yang telah menjadi bintang
yang bercahaya bagi kehidupan penulis.
iii
Universitas Sumatera Utara
8. Kepada Keluarga Besar Kenanga Sari, Evi Santi dan Anza, yang telah
menjadi kemilau kembang api yang tak pernah berkesudahan kemeriahannya.
9. Kepada Keluarga Besar Pondok Keluarga, David Rumbun, Dedi, Afriando,
dkk, yang menjadi teman bermain penulis.
10. Kepada sahabat, Albertwan Benjamin, teman seperjuangan Kerja Praktek.
11. Kepada para Lae dan Appara Teknik Elektro 2012, Santo D Siringoringo,
Melkisedek Sitanggang, Mangihut Simatupang, Jonner silitonga, David
Situmorang, Riovan Sipahutar, Ricart, dkk.
12. Kepada Sahabat lama, Arkadius Manurung, semoga nasib mempertemukan
kita di masa depan.
13. Kepada Ilham Bagus Setiawan, yang menjadi teman penulis dalam melakukan
percobaan.
14. Kepada para senior dan adek adek junior, yang tidak dapat disebutkan satu
persatu.
15. Kepada Namboru Tiur, Lae manurung, Tulang Sahata, Nanguda balam,
nanguda binjai, semua keluarga besar sitanggang dan siringoringo. Mauliate.
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK..………………………………………………………………………...i
KATAPENGANTAR………………………………………………………………ii
DAFTAR ISI………………………………………………………………………. v
DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………… ix
DAFTAR TABEL…………………………………………………………………. xi
DAFTAR LAMPIRAN………………………………………………………......... xii
BAB I PENDAHULUAN……………………………………………………….... 1
1.1 Latar Belakang…………………………………………………………. 1
1.2 Rumusan Masalah……………………………………………………… 2
1.3 Tujuan Penelitian………………………………………………………. 2
1.4 Batasan Masalah……………………………………………………….. 3
1.5 Manfaat Penulisan……………………………………………………… 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………... ……... 4
2.1 Motor DC…………………………………………………………........ 4
2.2 Konstruksi Motor…………………………………………………........ 5
2.3 Prinsip Kerja Motor DC……………………………………………….. 10
2.4 Reaksi jangkar……………………………………………