analisis perbandingan efek pembebanan terhadap

ANALISIS PERBANDINGAN EFEK PEMBEBANAN
TERHADAP GGL BALIK DAN EFISIENSI PADA MOTOR DC
PENGUATAN KOMPON PANJANG DAN MOTOR INDUKSI
Jean Jhenesly F Tumanggor, Ir. Riswan Dinzi, MT
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail : [email protected]
Abstrak
Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi enegi mekanis. orang beranggapan bahwa
tidak perlu lagi dipelajari motor arus searah karena dipergunakan pada industri-industri sudah sangat
kurang. Namun akhirnya beberapa tahun terakhir ini motor arus searah mengalami perkembangan ada
beberapa alasan untuk dilanjutkan popularitas dari motor dc. Paper ini membahas analisis
perbandingan efek pembebanan terhadap GGL balik dan efisiensi pada motor dc kompon panjang dan
motor induksi. Besar efisiensi maksimum pada motor dc kompon panjang adalah 43,8081 % dengan
besar GGL lawan 193,9960 V pada arus beban atau arus beban 5,91 A dan efisiensi minimum pada
motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah 17,8196% dengan besar GGL lawan 204,9520 A dan arus
beban sebesar 3,42 A. Motor induksi adalah mesin yang paling banyak digunakan dalam industri.
Dalam aplikasinya motor induksi banyak digunakan untuk kebutuhan sehari-hari, juga untuk industri.
Perhitungan GGL balik dan efisiensi motor secara akurat diperlukan untuk mengetahui kondisi aktual
motor induksi yang pada akhirnya bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja sistem secara keseluruhan.
Tingkat efisiensi motor induksi dipengaruhi oleh rugi–ruginya. Besar efisiensi maksimum pada motor
induksi tiga fasa rotor belitan adalah 84,6419 % dengan besar GGL lawan 370,8318 V pada arus
beban atau arus stator 5,16 A dan efisiensi minimum pada motor induksi tiga fasa rotor belitan adalah
80,5003% dengan besar GGL lawan 369,4386 V dan arus beban sebesar 5,94 A.
Kata Kunci : GGL Balik, Motor dc, Motor induksi Tiga fasa Rotor belitan, Efisiensi
1. Pendahuluan
2. Motor DC dan Motor Induksi Tiga Fasa
Motor adalah mesin yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanis. Pada motor arus
searah energi listrik yang diubah adalah energi arus
searah yang berasal dari sumber tegangan listrik
arus searah. Dimana sumber tegangan ini
dihubungkan pada rangkaian medan dan rangkaian
jangkar dari motor tersebut. Akhir-akhir ini
mungkin banyak orang beranggapan bahwa tidak
perlu lagi mempelajari motor arus searah karena
penggunaannya pada industri-industri sudah sangat
kurang. Oleh sebab itu, perlu dilakukan pengujian
untuk membandingkan pengaruh efek pembebanan
dan efisiensi pada motor dc penguatan kompon
panjang dan motor induksi tiga fasa merupakan
masalah yang sangat penting dalam motor listrik
karena motor yang akan terus dibebani, maka akan
mempengaruhi terhadap besar GGL balik dan
efisiensi pada sebuah motor.
Motor arus searah (DC) adalah mesin yang
mengubah energi listrik arus searah menjadi energi
mekanis yang berupa putaran. Berdasarkan
fisiknya motor arus searah secara umum terdiri
atas bagian yang diam dan bagian yang berputar.
Kumparan
medan pada stator
tersebut
dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka
pada kumparan medan itu akan mengalir arus
medan (If). Kumparan medan yang dialiri arus ini
akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan
fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet
yang arahnya dari kutub utara menuju kutub
selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garis–
garis fluksi). Apabila pada kumparan jangkar
mengalir arus yakni arus jangkar, berdasarkan
hukum Lorenzt kita ketahui bahwa apabila sebuah
konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada
sebuah medan magnet maka pada konduktor
tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula
halnya pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini
bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada
kumparan jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari
-53-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
kedua kutub dan panjang konduktor jangkar (l).
Semakin besar fluksi yang terimbas pada
kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada
kumparan jangkar juga besar, dengan demikian
gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin
besar [1].
Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah
induksi magnetik (B) maka besar gaya yang
dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor
jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan
magnet adalah seperti pada Persamaan 1 [2].
F = B . I . l Newton
(1)
di mana :
I = Arus yang mengalir pada konduktor
jangkar (Ampere)
B = Kerapatan fluksi (Weber/m2)
l = Panjang konduktor jangkar (m)
Maka, besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan
oleh jumlah total konduktor jangkar z dapat dilihat
pada Persamaan 2.
(2)
F  z.B.I ..l Newton
Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas
akan menghasilkan torsi
dapat dilihat pada
persamaan 3.
Ta  F .r Newton-meter
(3)
Maka, Ta  z.B.I .l.d / 2 Newton- meter
(4)
Apabila torsi start lebih besar daripada torsi
beban maka jangkar akan berputar.
Sehingga prinsip kerja motor dc dapat dilihat
pada Gambar 1.
sedangkan yang lainnya meninggalkan dot,
sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling
mengurangi. Rangkaian ekivalen motor arus searah
penguatan kompon panjang diferensial (lawan)
pada Gambar 2.
R
s
+
IL
V
R
t
Is
Ish
Ia
R
sh
+
Ea
-
a
-
Gambar 2 Rangkaian ekuivalen motor
arus searah penguatan kompon panjang diferensial
(lawan) [2]
b. Motor arus searah penguatan kompon panjang
komulatif (bantu).
Pada motor arus searah penguatan kompon
panjang komulatif, polaritas kedua kumparan
medannya sama atau dikarenakan kedua arus
medannya sama – sama memasuki dot, sehingga
fluksi yang dihasilkannya saling menguatkan.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan
kompon panjang komulatif (bantu) pada Gambar 3.
.
Rs
+
IL
V
t
Ish
R sh
.
Is
Ia
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 3 Rangkaian ekuivalen motor
arus searah penguatan kompon panjang komulatif
(bantu) [2]
Gambar 1. Prinsip kerja Motor DC [2]
Pada motor arus searah penguatan kompon
panjang, kumparan medan serinya terhubung
secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan
terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt.
Motor arus searah penguatan kompon panjang ini
dibagi menjadi 2 jenis, yaitu [2]:
a. Motor arus searah penguatan kompon panjang
diferensial (lawan).
Pada motor arus searah penguatan kompon
panjang diferensial, polaritas kedua kumparan
medannya saling berlawanan atau sesuai aturan
dot, salah satu arus medannya memasuki dot
Persamaan - persamaan yang berlaku pada
motor arus searah penguatan kompon panjang
adalah:
Vt=Ea+IaRa+IsRs
IL=Ia+Ish
Is=Ia
Maka
Vt = Ea + Ia( Ra + Rs )
-54-
V
I sh  t
Rsh
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
Motor induksi terdiri atas dua bagian utama
yaitu stator dan rotor. Keduanya merupakan
rangkaian magnetik yang berbentuk silinder dan
simetris. Diantara rotor dan stator ini terdapat celah
udara yang sempit.
Motor induksi adalah peralatan pengubah
energi listrik ke bentuk energi mekanik.
Pengubahan energi ini bergantung pada
keberadaan fenomena alami magnetik dan medan
listrik pada satu sisi dan gaya mekanis dan gerak di
sisi lainnya. Prinsip kerja motor induksi tiga fasa
dijabarkan dalam langkah-langkah sebagai berikut
[3]:
1. Pada keadaan beban nol, ketiga fasa stator
yang dihubungkan dengan sumber tegangan
tiga fasa yang setimbang menghasilkan arus
pada tiap belitan fasa.Arus pada tiap fasa
menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubahubah. Amplitudo fluksi yang dihasilkan
berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak
lurus terhadap belitan fasa.
2. Akibat fluksi yang berputar timbul GGL pada
stator motor yang besarnya adalah :
e1=  N1
d
dt
(10)
3. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut
disebut juga putaran sinkron ns yang besarnya
ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi
stator f yang dirumuskan dengan :
(11)
120. f
ns 
4.
5.
6.
7.
tegangan yang terinduksi pada kumparan rotor
akan bervariasi tergantung
8. Besarnya slip. Tegangan induksi ini
dinyatakan dengan E2s yang Besarnya
E2s  4,44sfN 2  m
(13)
dimana
E2s = tegangan induksi pada rotor dalam
keadaan berputar
f2
= s.f
frekuensi rotor (frekuensi tegangan
induksi pada rotor dalam keadaan
berputar)
Rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa seperti
pada Gambar 4.
Gambar 4 Rangkaian ekivalen Motor induksi
Tiga fasa [4]
Sehingga rumus pada GGL Balik
InduksiTiga Fasa sebagai berikut [3] :
V1= E1 + I1 (R1+ J X1) Volt
Motor
(14)
3. Pengaruh efek pembebanan pada Motor dc
kompon panjang dan motor induksi Tiga Fasa
Biasanya efek pembebanan pada motor sangat
mempengaruhi parameter-parameter khususnya
Fluksi yang berputar tersebut akan memotong pada motor induksi dan motor DC. Karena motor
batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada DC adalah mesin dc sedangkan motor induksi
kumparan rotor timbul tegangan induksi adalah mesin bolak balik (Alternating Current).
(GGL)
sebesar
E2
yang
besarnya: Untuk mengetahui nilai parameter seperti GGL
(12) balik dan efisiensi pada motor DC dan motor
E 2  4,44 fN 2  m
induksi dapat dipahami melalui rangkaian ekivalen
dimana :
masing – masing motor induksi dan motor DC.
E2
= Tegangan induksi pada rotor saat
Ketika jangkar motor DC berputar di bawah
rotor dalam keadaan diam
pengaruh GGL penggerak, konduktor jangkar
N2
= Jumlah lilitan kumparan rotor
bergerak di dalam medan magnet dan akan
Фm
= Fluksi maksimum
menghasilkan tegangan induksi di dalamnya
E2 menghasilkan arus rotor (I2) , I2 dalam
seperti halnya pada generator. GGL induksi
medan maget menghasilkan gaya pada rotor
bekerja pada arah yang berlawanan dengan
F rotor sehingga menimbulkan Kopel Mula
tegangan terminal Vt (sesuai dengan bunyi Hukum
Bila Kopel Mula lebih besar dari Kopel Beban,
Lenz) dan dikenal sebagai GGL lawan atau GGL
maka rotor akan berputar
balik Ea. GGL balik Ea (=PΦZN/60A) biasanya
Perputaran rotor akan semakin meningkat
kurang dari tegangan terminal V, meskipun
hingga
mendekati
kecepatan
sinkron.
perbedaan ini kecil sekali pada saat motor berjalan
Perbedaan kecepatan medan stator (ns ) dan
kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) , besarnya di bawah kondisi normal. Dalam memutar GGL
pada motor dc sama dengan memutar balik putaran
pada motor dc. [4] Adanya GGL balik menjadikan
-55copyright @ DTE FT USU
p
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
motor DC yaitu motor memikul arus jangkar sesuai
dengan yang dibutuhkan untuk membangkitkan
GGL lawan.
Ia 
Vt  Ea
Ra
(15)
1. Ketika motor berjalan pada kondisi tanpa
beban, GGL yang kecil dibutuhkan untuk
mengatasi rugi-rugi gesek dan angin. Dengan
demikian, arus jangkar Ia juga kecil dan GGL
balik besarnya hampir sama dengan tegangan
terminal.
2. Jika motor tiba-tiba dibebani, efek yang
pertama sekali dirasakan adalah penurunan
kecepatan jangkar. Sehingga kecepatan
konduktor jangkar yang bergerak di dalam
medan magnet berkurang dan begitu juga
dengan GGL balik Ea. Berkurangnya GGL balik
menyebabkan arus yang besar mengalir melalui
jangkar dan arus yang besar ini juga
meningkatkan GGL penggerak. Maka, GGL
penggerak
meningkat
seiring
dengan
menurunnya kecepatan
motor. Penurunan
kecepatan motor akan berhenti ketika arus
jangkar sudah cukup untuk menghasilkan GGL
yang dibutuhkan oleh beban.
3. Jika beban motor dikurangi GGL penggerak
sesaat melebihi dari yang dibutuhkan sehingga
jangkar mengalami percepatan. Karena
kecepatan jangkar meningkat, GGL balik juga
akan meningkat dan menyebabkan arus jangkar
Ia berkurang. Motor akan berhenti dari
percepatannya jika arus jangkar sudah cukup
untuk menghasilkan GGL yang dibutuhkan oleh
beban. Dengan demikian, GGL balik di dalam
motor DC mengatur aliran arus jangkar, yang
secara otomatis merubah besaran arus jangkar
untuk memenuhi kebutuhan beban.
Perhitungan untuk efisiensi motor dc induksi
tiga fasa dirumuskan pada Persamaan 16. [6]:
ηm=
Pout
x 100%
Pin
(16)
yang hanya melawan Tegangan sumber sehingga
GGL lawan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan 3. untuk mendapatkan nilai GGL lawan
pada motor induksi tiga pahasa [3].
Dengan menentukan nilai parameter parameter
pada rangkaian ekivalen motor induksi terlebih
dahulu melalui 3 tes yaitu :
(i) Percobaan beban nol
(ii) Percobaan rotor tertahan
(iii) Percobaan tahanan dc
Perhitungan untuk efisiensi motor dc Induksi
tiga fasa dirumuskan pada Persamaan 17.
 (%)
Pout
Pin Ploss
Pout
x100% 
x100% 
x100%
Pin
Pin
Pout Ploss
(17)
4. Hasil Simulasi dan Analisis
Percobaan
pengukuran
analisis
efek
pembebanan pada motor dc dan motor induksi
dapat dilakukan dengan mensimulasi besar nilai
GGL lawan pada motor dc kompon panjang dan
motor induksi dengan menentukan terlebih dahulu
nilai parameter-parameter pada motor dc kompon
panjang dan motor induksi.Percobaan ini dilakukan
untuk menentukan nilai besar GGL lawan dan
efisiensi dari motor dc kompon panjang dan motor
induksi sehingga rugi-rugi dapat dikurangi dan
perawatan minimum.
Motor yang digunakan pada analisis ini adalah
motor DC AEG tipe Gd 110/110G-Motor 7983745
dengan penguatan kompon panjang yang terdapat
dilaboratorium konversi energy Listrik FT-USU
dengan spesifikasi sebagai berikut:
2 Kutub, Tegangan 220 v, TYPE ISOLASI B,
1400 rpm, 50 Hz, Ish=0.177 Ampere, Daya 1.2
Kw, Daya 1.2 Kw, Il = 7.1 A
Rsh (J-K) = 1.25 kΩ
Rs (E-F)
= 0,6 kΩ
Ra (GA-HB) = 3,8 kΩ
Dari pengujian yang dilakukan dari kondisi
berbeban diperoleh pada data Tabel 1.
Tabel 1 Data Percobaan Berbeban
Motor DC Kompon Panjang
Dalam menghasilkan GGL lawan pada motor
induksi maka gelombang fluks celah-udara yang
berputar serempak membangkitkan GGL lawan
fasa banyak seimbang di dalam fasa-fasa stator.
Persen beban (%)
Is=Ia
Besarnya tegangan terminal stator berbeda dari
25
3.42 Ampere
GGL lawan sebesar jatuhnya tegangan pada
50
4.05 Ampere
reaktansi bocor stator pada stator akan timbul GGL
75
4.93 Ampere
induksi sendiri E1 atau dengan kata lain GGL
100
5.91 Ampere
lawan (balik) maupun dalam keadaan berbeban
maupun tanpa beban, karena hanya GGL lawan E1 Dari pengujian yang dilakukan dari kondisi tanpa
-56copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
beban diperoleh pada data Tabel 2.
Tabel 2 Percobaan Tanpa Beban
Motor DC Kompon Panjang
200
Is=Ia
2.69 Ampere
150
g g l b a lik
( % Beban)
-
ggl balik thd arus beban
100
Motor yang digunakan pada analisis ini
dilaboratorium konversi energy Listrik FT-USU
dengan spesifikasi sebagai berikut:
50
0
AEG Type C Am 112MU4RI - 2.2 Kw, Cosφ
0.67 - Δ/Y 220/360 V 10.7/6.2 - TYPE
ISOLASI B - 1500 rpm, 50 Hz - Amperemeter
AC & DC
- Volt Meter
- Tahanan Geser
-Watt Meter 3φsumber tegangan AC dan DC
3
3.5
4
4.5
arus beban
5
5.5
6
Gambar 5 Grafik GGL balik VS arus beban Pada
Motor DC Kompon Panjang
Berdasarkan data-data yang diperoleh dari
hasil pengujian, dapat dilakukan analisis
perhitungan dengan simulasi program software
matlab seperti pada Tabel 4.
Tabel 4 Analisis Data pada
Motor DC Kompon panjang
ARUS
GGL
Persen
Effisiensi
BEBAN
LAWAN
beban
(%)
(IS=Ia)
Volt
(%)
ampere
204.9520
17.8196
3.42
25
202.1800
27.8436
4.05
50
198.3080
37.1842
4.93
75
193.9960
43.8081
5.91
100
Sehingga kurva efissiensi terhadap beban pada
motor dc kompon panjang seperti ditunjukkan pada
Gambar 6.
effisiensi thd arus beban
100
80
e ffis ie n s i
Adapun data percobaan pada motor induksi tiga
fasa rotor belitan seperti pada Tabel 3.
Tabel 3 Data percobaan pada
Motor Induksi Tiga fasa rotor belitan
Arus
Putara
P
ARUS
Persen stator (
n rotor input ROTOR
beban amper
(rpm) (Kw) Ampere
e)
25
4.71
1400
1.2
7.52
50
5.16
1350
1.7
9.51
75
5.94
1350
2.4
14.72
100
5.98
1300
2.45
14.54
60
40
20
0
3
3.5
4
4.5
arus beban
5
5.5
6
Gambar 6 Grafik Effisiensi VS arus beban Pada
Motor DC Kompon Panjang
Berdasarkan data-data yang diperoleh dari
hasil pengujian, dapat dilakukan analisis
perhitungan dengan simulasi program software
matlab seperti pada Tabel 5.
Tabel 5 Analisis Data pada
Motor Induksi Tiga Fasa rotor belitan
Persen Arus stator Putaran
beban (ampere) rotor (rpm)
Sehingga dapat digambarkan kurva GGL
lawan terhadap beban seperti ditunjukkan pada
Gambar 5.
P
input
(Kw)
GGL balik
(E1) VOLT
(%)
ARUS
ROTOR
Ampere

25
4.71
1400
1.2
371.6040
83.8464
7.52
50
5.16
1350
1.7
370.8318
84.6419
9.51
75
5.94
1350
2.4
369.5061
80.5003
14.72
100
5.98
1300
2.45
369.4386
81.0616
14.54
Sehingga dapat digambarkan kurva GGL lawan
terhadap beban seperti ditunjukkan pada Gambar
7.
-57-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 4 NO. 2/November 2013
ggl balik thd beban
350
300
g g l b a lik
250
200
150
100
50
0
4.5
5
5.5
6
arus stator
Gambar 7 Grafik GGL balik VS arus stator Pada
Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan
6.
sehingga kurva efisiensi terhadap beban pada
motor induksi tiga fasa rotor belitan dapat
ditunjukkan seperti pada Gambar 8.
eta (effisiensi) thd beban
100
80
e ta
60
40
20
0
4.5
5
5.5
pada motor dc dan motor induksi rotor belitan
yang dihasilkan juga akan bertambah.
3. Menurut percobaan effisiensi pada motor dc
kompon panjang akan meningkat seiring
meningkatnya arus beban sedangkan pada
motor induksi tiga fasa rotor belitan berbeda
diakibatkan oleh pembebanan yang bervariasi.
4. GGL lawan pada motor dc kompon panjang
dan motor induksi tiga fasa akan meningkat
seiring meningkatnya beban pada motor dc
kompon panjang dan motor induksi tiga fasa
rotor belitan.
6
arus stator
Gambar 8 Grafik Efisiensi VS arus stator Pada
Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan
5. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari tugas
akhir ini adalah:
1. Besar Parameter Motor Induksi yang diperoleh
dari percobaan ini adalah :
R m = 40.937 Ohm
X1 =
3,061 Ohm
R1 = 1.842 Ohm
X 2’ =
4.591 Ohm
R2 ’ = 0.42 Ohm
Xm =
61.1 Ohm
Sedangkan pada motor dc penguatan kompon
panjang :
Rs = 0,6 Ohm Rsh = 1250 Ohm
Ra= 3,8 Ohm
2. Pada percobaan pengaruh pembebanan terhadap
arus stator dan arus rotor dan arus jangkar yang
dihasilkan, diketahui bahwa jika persen beban
yang dihubungkan ke rotor diperbesar maka
nilai arus stator dan arus rotor dan arus jangkar
Daftar Pustaka
[1] Chapman, J Stephen, “Electrical machinery
Fundamental”, Mc Graw-Hill Book
Company, singapore, 1999
[2] Mehta, V,k dan Mehta, Rohit, “ Principles
of electrical machines” first edition, S.
chand and company LTD, Ram Nagar,
New Delhi, 2002.
[3] Fitzgerald Kingslay JR, ”Mesin-mesin
Listrik”, Edisi Keempat, Penerbit Erlangga,
Jakarta, 1990.
[4] Theraja BL. Ak, “A Text Book of Electrical
Technology”, Publication Division Nirja
Construction And Development Co. Ltd, New
Delhi, 1993.
[5] Wijaya, Mochtar, “Dasar-dasar mesin
listrik”, penerbit Djamban, jakarta, 2001
[6] Sen S. K, “Rotating Electrical Machinery”,
Khana Publisher, New Delhi, 197
[7] http://lontar.ui.ac.id/file?file=digital/2028447
3 -S798etode%20perhitungan.pdf
-58-
copyright @ DTE FT USU