ANALISIS PENGARUH BEBAN TERHADAP KARAKTERISTIK DAN EFISIENSI GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN KOMPON KUMULATIF DAN KOMPON DIFERENSIAL (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Syahrizal Lubis, Syamsul Amien 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 Salah satu jenis generator DC yang cukup banyak digunakan adalah generator DC penguatan kompon. Berdasarkan sifat penguatnya terhadap jangkar generator kompon dibagi menjadi dua yaitu generator DC kompon kumulatif dan generator DC kompon diferensial. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Pada tulisan ini menganalisis pengaruh beban terhadap karakteristik dan efisiensi generator DC penguatan kompon dengan menentukan nilai If 0,01 sampai 0,17 dan Ia dijaga konstan 5,0 ampere. Dari hasil pengujian, generator DC penguatan kompon kumulatif dengan nilai If tertinggi 0,17 memiliki tegangan terminal 122 Volt dan 124 Volt, efisiensi 81,8 % dan 82,1 %, dan pada saat nilai If terendah 0,01 memiliki tegangan terminal 9 Volt dan 10 Volt, efisiensi 28,9 % dan 31,1 %. Untuk generator DC penguatan kompon diferensial dengan nilai If tertinggi 0,17 memiliki tegangan terminal 155 Volt dan 157 Volt, efisiensi 84,6 % dan 84,7 %, dan pada saat nilai nilai If terendah 0,01 memiliki tegangan terminal 10 Volt, efisiensi 31,1 %. Kata Kunci: generator dc, arus medan dan tegangan terminal 1. Pendahuluan Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah (DC) dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri [2]. Generator penguatan sendiri terdiri atas generator penguatan shunt, generator penguatan seri, dan generator penguatan kompon. Generator DC penguatan kompon merupakan jenis generator DC yang lebih luas pemakaiannya dibandingkan jenis generator yang lain dan lebih efisien [4,5]. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Pada generator DC penguatan kompon peningkatan beban pada generator akan meningkatnya arus beban (IL) yang secara langsung akan berakibat meningkat pula arus jangkar (Ia). Peningkatan arus jangkar akan berakibat meningkatnya jatuh tegangan ( Ia. (Ra + Rse) ) dan arus medan (If) pada mesin ikut turun. Oleh karena itu tegangan terminal generator (Vt) juga akan berkurang [1,6]. Dengan demikian, perlu dilakukan pengujian generator DC penguatan kompon berupa analisis data–data yang di ambil dari laboratorium. Pengujian ini dilakukan untuk melihat pengaruh beban terhadap karakteristik dan efisiensi generator DC tersebut. 2. Karakteristik Generator DC Penguatan Kompon Dan Efisiensi Generator DC Karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri. VT 3. Metode Penelitian IF Gambar 1 Karakteristik Berbeban Generator Kompon Secara Teoritis [1] Terlihat pada Gambar 1 karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri [1,5]. Untuk menjelaskan efisiensi pada generator arus searah, dapat diamati melalui diagram aliran daya pada generator dc. Diagram aliran daya dapat dilihat pada Gambar 2 [3]. Pengambilan data dalam penelitian tulisan ini dilakukan pada tanggal 21 Februari 2014 pukul 15.00 sampai dengan pukul 18.00 WIB di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara (USU). Langkah-langkah pada tulisan ini adalah sebagai berikut: a. Pengumpulan data yang akan menentukan keberhasilan dalam penelitian yaitu dengan metode dokumentasi dan metode observasi. b. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan memastikan bahwa generator DC dapat beroperasi dengan baik. c. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki validitas yang baik yang harus disetting dengan benar. d. Tahap pengambilan data yang meliputi beban dan arus medan terhadap tegangan. e. Tahap analisa data yang digunakan adalah analisis matematis untuk memecahkan masalah dan kesimpulan dalam penelitian. Analisis ini mengadakan perhitunganperhitungan berdasarkan persamaanpersamaan yang berlaku didalam perhitungan karakteristik dan efisiensi generator. Dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 1. Perhitungan tegangan generator 𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 − (𝐼𝑎 𝑅𝑎 + 𝐼𝐿 𝑅𝑠 ) 2. Efisiensi 𝜂= Gambar 2 Diagram Aliran Daya Generator DC Pada mesin DC (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang di perhitungkan, antara lain : 1. Efisiensi Mekanik 𝐵 𝐸𝑎 𝐼𝑎 𝜂𝑚 = 𝐴 = 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝐼𝑛𝑝𝑢𝑡 (1) 𝑀𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑘 2. Efisiensi Elektrik 𝜂𝑒 = 𝐶 𝐵 = 𝑉𝑇 𝐼𝐿 𝐸𝑎 𝐼𝑎 (2) 3. Efisiensi Komersial Keseluruhan 𝐶 𝑃 𝜂𝑒 = 𝐴 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 (3) 𝑖𝑛 𝜂𝑒 = 𝑃𝑖𝑛− 𝛴 𝑃𝑟𝑢𝑔𝑖 𝑃𝑖𝑛 (4) Dimana: Pout = VT . IL (5) (6) 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 𝑥100% (7) 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑇 . 𝐼𝐿 Adapun peralatan yang digunakan pada tulisan ini adalah sebagai berikut : 1. Generator DC Type GD 110/110, 220 V / 7,1 A (Armature), 220 V / 0,17 A (Field) 1,2 kW / 1500 rpm 2. Motor DC (sebagai prime mover) Type GD 110/140, 220 V / 9,1 A (Armature), 220 V / 0,64 A (Field), 2 kW / 1500 rpm 3. PTDC 4. Digital LCR Multimeter TES 2712 5. Feedback Power Suplay PS 189 6. Tachometer 7. Kabel penghubung Adapun gambar rangkaian pengujian generator arus searah penguatan kompon dapat dilihat pada Gambar 3, 4, 5, dan 6. Ia Ise A2 A3 S1 S3 R P S GA Ia GA + F n T D M V1 E A4 G Ish J V2 C 1 Ia S1 R P S GA Ia GA + A2 F n T D M V1 S3 T J Ish J T HB J RL K HB K A4 G - HB A3 V2 A1 RL C 1 - T IL E T K S2 + HB K PTDC 2 A1 S2 AC + PTDC 2 AC Gambar 3 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Kumulatif Ise Ia S1 S3 R P S GA Ia GA + A2 n T D M V1 E A3 F A4 G J Ish V2 RL C 1 T T HB J K HB K A1 S2 + PTDC 2 AC Gambar 4 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Kumulatif Ia S1 R P S GA Ia GA + n T D M V1 IL F A2 E A4 G J T T HB J Ish V2 HB A1 S2 PTDC Tujuan dilakukannya pengujian karakteristik pada tulisan ini untuk menentukan hubungan antara tegangan terminal dengan arus penguat bila arus jangkar dan putaran konstan. Dari persamaan tegangan diperoleh hubungan antara tegangan terminal dengan arus medan sebagai berikut : Ea = Vt + (Ia Ra +IL Rs) (8) Kemudian mengitung efisiensi dari generator tanpa memperhitungkan rugi-rugi dan torsi. 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑥100% 𝑃𝑖𝑛 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑇 . 𝐼𝐿 𝜂= RL K K + 4. Hasil dan Analisis 4.1 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang kumulatif A3 C 1 S3 Gambar 6 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Diferensial 2 AC Gambar 5 Rangkaian Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Diferensial Pada pengujian generator DC penguatan kompon panjang kumulatif ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 1. Tabel 1 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon panjang kumulatif Tabel 1 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Kumulatif n = 1500 rpm Ia = 5,0 Ampere R a = 3,8 ohm R s = 0,6 ohm η (%) 𝑰𝒇 (amp) 0.17 𝑽𝒕 (volt) 122 𝑰𝑳 (amp) 4.83 𝑹𝑳 (ohm) 30.0 𝑬𝒂 (volt) 143.898 𝑷𝒐𝒖𝒕 (watt) 589.26 𝑷𝒊𝒏 (watt) 719.49 81.899 0.16 118 4.84 27.9 139.904 571.12 699.52 81.644 0.15 116 4.85 25.4 137.91 562.6 689.55 81.589 0.14 113 4.86 24.2 134.916 549.18 674.58 81.410 0.13 104 4.87 20.6 125.922 506.48 629.61 80.443 0.12 102 4.88 19.7 123.928 497.76 619.64 80.330 0.11 97 4.89 18.2 118.934 474.33 594.67 79.763 0.10 87 4.9 16.8 108.94 426.3 544.7 78.263 0.09 84 4.91 16.0 105.946 412.44 529.73 77.858 0.08 78 4.92 14.4 99.952 383.76 499.76 76.788 0.07 64 4.93 11.3 85.958 315.52 429.79 73.412 0.06 `57 4.94 9.6 78.964 281.58 394.82 71.318 0.05 43 4.95 7.9 64.97 212.85 324.85 65.522 0.04 32 4.96 6.8 53.976 158.72 269.88 58.811 0.03 24 4.97 5.0 45.982 119.28 229.91 51.881 0.02 15 4.98 3.7 36.988 74.7 184.94 40.391 0.01 9 4.99 2.9 30.994 44.91 154.97 28.979 Dari Tabel 1 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 122 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 9 Volt. 4.2 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek kumulatif Pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 2. Tabel 2 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif Tabel 2 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Kumulatif n = 1500 rpm Ia = 5,0 Ampere R a = 3,8 ohm R s = 0,6 ohm η (%) 𝑰𝒇 (amp) 0.17 𝑽𝒕 (volt) 124 𝑰𝑳 (amp) 4.83 𝑹𝑳 (ohm) 31.0 𝑬𝒂 (volt) 145.898 𝑷𝒐𝒖𝒕 (watt) 598.92 𝑷𝒊𝒏 (watt) 729.49 82.101 0.16 120 4.84 28.7 141.904 580.8 709.52 81.858 0.15 117 4.85 25.9 138.91 567.45 694.55 81.700 0.14 113 4.86 24.3 134.916 549.18 674.58 81.410 0.13 106 4.87 21.4 127.922 516.22 639.61 80.708 0.12 103 4.88 20.2 124.928 502.64 624.64 80.473 0.11 99 4.89 19.5 120.934 484.11 604.67 80.061 0.10 89 4.9 17.8 110.94 436.1 554.7 78.619 0.09 86 4.91 16.4 107.946 422.26 539.73 78.235 0.08 78 4.92 14.6 99.952 383.76 499.76 76.788 0.07 66 4.93 11.8 87.958 325.38 439.79 73.985 0.06 58 4.94 10.3 79.904 286.52 399.52 71.716 0.05 45 4.95 8.4 66.97 222.75 334.85 66.522 0.04 35 4.96 7.6 56.976 173.6 284.88 60.937 0.03 27 4.97 5.5 48.982 134.19 244.91 54.791 0.02 18 4.98 4.1 39.988 89.64 199.94 44.833 0.01 10 4.99 3.3 31.994 49.9 159.97 31.193 Dari Tabel 2 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 124 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 Volt. 4.3 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang diferensial Pada pengujian generator DC penguatan kompon panjang diferensial ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 3. Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon panjang diferensial Tabel 3 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Panjang Diferensial n = 1500 rpm Ia = 5,0 Ampere R a = 3,8 ohm R s = 0,6 ohm η (%) 𝑰𝒇 (amp) 0.17 𝑽𝒕 (volt) 155 𝑰𝑳 (amp) 4.83 𝑹𝑳 (ohm) 32.3 𝑬𝒂 (volt) 176.898 𝑷𝒐𝒖𝒕 (watt) 748.65 𝑷𝒊𝒏 (watt) 884.49 84.641 0.16 149 4.84 30.7 170.904 721.16 854.52 84.393 0.15 145 4.85 28.8 166.91 703.25 834.55 84.266 0.14 140 4.86 27.0 161.916 680.4 809.58 84.043 0.13 127 4.87 25.6 148.922 618.49 744.61 83.062 0.12 124 4.88 24.8 145.928 605.12 729.64 82.934 0.11 115 4.89 23.7 136.934 562.35 684.67 82.134 0.10 104 4.9 22.5 125.94 509.6 629.7 80.927 0.09 96 4.91 20.7 117.946 471.36 589.73 79.928 0.08 84 4.92 19.4 105.952 413.28 529.76 78.012 0.07 77 4.93 18.3 98.958 379.61 494.79 76.721 0.06 61 4.94 15.8 82.964 301.34 414.82 72.643 0.05 49 4.95 13.5 70.97 242.55 354.85 68.352 0.04 37 4.96 10.6 58.976 183.52 294.88 62.235 0.03 26 4.97 8.7 47.982 129.22 239.91 53.861 0.02 15 4.98 6.3 36.988 74.7 184.94 40.391 0.01 10 4.99 4.8 31.994 49.9 159.97 31.193 Dari Tabel 3 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 155 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 Volt. 4.4 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek diferensial Pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial ini didapat tegangan tertinggi pada arus medan 0,17 dan tegangan terendah pada arus medan 0,01 seperti pada Tabel 4. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial Tabel 4 Hasil Pengujian Generator DC Penguatan Kompon Pendek Diferensial n = 1500 rpm Ia = 5,0 Ampere R a = 3,8 ohm R s = 0,6 ohm η (%) 𝑰𝒇 (amp) 0.17 𝑽𝒕 (volt) 157 𝑰𝑳 (amp) 4.83 𝑹𝑳 (ohm) 33.4 𝑬𝒂 (volt) 178.898 𝑷𝒐𝒖𝒕 (watt) 758.31 𝑷𝒊𝒏 (watt) 894.49 84.775 0.16 151 4.84 31.2 172.904 730.84 864.52 84.537 0.15 147 4.85 29.4 168.91 712.95 844.55 84.417 0.14 140 4.86 27.2 161.916 680.4 809.58 84.043 0.13 129 4.87 26.5 150.922 628.23 754.61 83.252 0.12 125 4.88 26.0 146.928 610 734.64 83.033 0.11 118 4.89 25.1 139.934 577.02 699.67 82.470 0.10 106 4.9 24.2 127.94 519.4 639.7 81.194 0.09 101 4.91 23.4 122.946 495.91 614.73 80.671 0.08 93 4.92 20.3 114.952 457.56 574.76 79.608 0.07 78 4.93 18.7 99.958 384.54 499.79 76.940 0.06 68 4.94 16.6 89.964 335.92 449.82 74.678 0.05 52 4.95 14.3 73.97 257.4 369.85 69.595 0.04 40 4.96 11.4 61.976 198.4 309.88 64.024 0.03 29 4.97 9.1 50.982 144.13 254.91 56.541 0.02 18 4.98 6.8 39.988 89.4 199.94 44.833 0.01 10 4.99 5.3 31.994 49.9 159.97 31.193 Gambar 7 Grafik Arus Medan Vs Tegangan Terminal Generator DC Penguatan Kompon Kumulatif Pada Gambar 7 terlihat kenaikan tegangan terminal seiring dengan kenaikan If. Tegangan tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon kumulatif, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif 124 Volt. Sedangkan tegangan terendah terdapat pada pengujian kompon panjang kumulatif 122 Volt. Dari Tabel 4 terlihat tegangan tertinggi terhadap arus medan yaitu sebesar 157 Volt dan tegangan terendah terhadap arus medan yaitu 10 Volt. 4.5 Analisis Data Gambar 8 Dari data-data pada Tabel 1, 2, 3 dan 4 dilakukan perhitungan untuk mendapatkan tegangan keluaran generator, Pout, Pin dan efisiensi. Dalam penelitian ini digunakan beberapa persamaan-persamaan yang berlaku didalam perhitungan generator DC kompon. Tegang keluaran generator. 𝐸𝑎 = 𝑉𝑡 − (𝐼𝑎 𝑅𝑎 + 𝐼𝐿 𝑅𝑠 ) Daya keluaran 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑇 . 𝐼𝐿 Daya masukan 𝑃𝑖𝑛 = 𝐸𝑎 . 𝐼𝑎 (9) Efisiensi generator 𝜂= 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 𝑥100% Dengan melakukan perhitungan seperti persamaan di atas pada tiap-tiap tegangan, maka diperoleh Ea, Pout, Pin dan efisiensi. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 1, 2, 3, dan 4. Berikut hasil pengujian dalam bentuk grafik, dapat dilihat pada Gambar 7, 8, 9, dan 10. Grafik Arus Medan Vs Tegangan Terminal Generator DC Penguatan Kompon Diferensial Pada Gambar 8 terlihat kenaikan tegangan terminal seiring dengan kenaikan If. Tegangan tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon diferensial, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial 157 Volt. Sedangkan tegangan terendah terdapat pada pengujian kompon panjang diferensial 155 Volt. 2. 3. Gambar 9 Grafik Arus Medan Vs Efisiensi Generator DC Penguatan Kompon Kumulatif Pada Gambar 9 terlihat kenaikan efisiensi seiring dengan kenaikan If. Efisiensi tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon kumulatif, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek kumulatif 82,1 %. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada pengujian kompon panjang kumulatif 81,8 %. 4. 5. sehingga nilai Ea turun yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. Tegangan yang dibangkitkan pada generator DC penguatan kompon diferensial lebih besar dibandingkan dengan generator DC penguatan kompon kumulatif, ini terlihat dengan arus medan yang sama. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon pendek kumulatif lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon panjang kumulatif. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon pendek diferensial lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon panjang diferensial. Efisiensi yang dihasilkan generator DC penguatan kompon diferensial lebih besar dibandingkan generator DC penguatan kompon kumulatif. 6. Referensi [1]. Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta : 1991. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta : 2000. [3]. Niko ardian, Randy, Analisa Perbandingan Pengaruh Karakteristik Berbeban Generator Arus Searah Penguatan Bebas Dengan Generator Arus Searah Penguatan Shunt, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan : 2010. [4]. Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Djambatan, Jakarta : 2001. [2]. Gambar 10 Grafik Arus Medan Vs Efisiensi Generator DC Penguatan Kompon Diferensial Pada Gambar 10 terlihat kenaikan efisiensi seiring dengan kenaikan If. Efisiensi tertinggi pada pengujian generator DC penguatan kompon diferensial, terdapat pada pengujian generator DC penguatan kompon pendek diferensial 84,7 %. Sedangkan efisiensi terendah terdapat pada pengujian kompon panjang diferensial 84,6 %. 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan analisa perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani, dan arus medan If pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun [5]. Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1986.