pengaruh posisi sikat dan penambahan kutub bantu terhadap

PENGARUH POSISI SIKAT DAN PENAMBAHAN KUTUB
BANTU TERHADAP EFISIENSI DAN TORSI MOTOR DC
SHUNT
Jesayas Sihombing, 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
Penambahan kutub bantu dan pengaturan posisi sikat berpengaruh terhadap kinerja dari motor DC.
Dengan mengatur posisi sikat dan menambahkan kutub bantu, maka akan diperoleh efisiensi dan torsi
yang lebih baik sehingga motor DC dapat bekerja dengan lebih baik. Pada paper ini akan dibahas
pengaruh posisi sikat dan penambahan kutub bantu terhadap efisiensi dan torsi motor dc shunt.
Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan, efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat +300
yaitu pada motor DC shunt tanpa kutub bantu sebesar 64,70 %, sedangkan pada motor DC shunt dengan
kutub bantu sebesar 65,09 %. Torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat -300 yaitu pada motor DC
shunt tanpa kutub bantu sebesar 2,88 N-m, sedangkan pada motor DC shunt dengan kutub bantu sebesar
13,23 N-m.
Kata Kunci : motor dc shunt, posisi sikat, penambahan kutub bantu
1. Pendahuluan
2. Motor Arus Searah
Motor arus searah biasanya digunakan
terutama untuk melayani beban dengan torsi start
yang besar dan memiliki efisiensi yang tinggi.
Pada penggunaannya motor arus searah harus
disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis
dan efisiensi. Untuk memenuhi semuannya ini,
maka diperlukan motor arus searah yang
memiliki efisiensi dan torsi tinggi.
Motor arus searah bekerja berdasarkan
prinsip interaksi antara dua fluksi magnetik.
Ketika kumparan medan dan kumparan jangkar
dihubungkan dengan sumber tegangan DC maka
pada kumparan medan mengalir arus medan (If)
pada kumparan medan, sehingga menghasilkan
fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara
menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan
jangkar mengalir arus jangkar (Ia), sehingga pada
konduktor kumparan jangkar timbul fluksi
magnet yang melingkar. Fluksi jangkar ini akan
memotong fluksi dari kumparan medan sehingga
menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari
medan utama. Sesuai hukum Lorentz, interaksi
antara kedua fluksi magnet ini akan
menimbulkan suatu gaya mekanik pada
konduktor jangkar yang disebut gaya Lorentz.
Besar gaya ini sesuai dengan persamaan 1 berikut
ini[1]:
Disaat motor diberi beban, maka fluksi akan
berkurang dan amper-turn medan akan berkurang
juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya
reaksi
jangkar.
Reaksi
jangkar
sangat
berpengaruh terhadap kinerja, efisiensi, dan torsi
dari motor tersebut. Untuk mengurangi reaksi
jangkar ini, ada tiga cara/teknik yang dapat
dilakukan yaitu melakukan pergeseran posisi
sikat, menambahkan kutub bantu, dan belitan
kompensasi.
Motor yang diujikan hanya dalam keadaan
berbeban saja, sedangkan rugi-rugi sikat pada
motor diabaikan. Masalah yang akan dianalisis
adalah bagaimana pengaruh posisi sikat dan
penambahan kutub bantu terhadap efisiensi dan
torsi motor dc shunt.
F = B .i .l
(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)
-122-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
perpindahan bidang netralnya sangat ditentukan
oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin
sehingga setiap ada perubahan besarnya beban
yang dipikul, maka jarak perpindahan bidang
netralnya pun berpindah[2].
Arah gaya ini dapat ditentukan dengan
kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri
menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah
dari vektor kerapatan fluks B dan jari tengah
menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari
akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada
konduktor tersebut.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi
semula maka dipasang kutub bantu (interpole).
Kutub bantu ini berupa kutub magnet yang
ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama.
Kutub bantu (interpole) ini dihubungkan seri
terhadap kumparan rotor. Kutub bantu akan
memperpendek jalannya garis medan magnet.
Dengan dipasang kutub bantu maka garis netral
akan kembali ke posisi semula dan kedudukan
sikat tegak lurus dengan kutub utamanya.
Gaya yang timbul pada konduktor jangkar
tersebut akan menghasilkan momen putar atau
torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat
ditentukan dengan persamaan 2 berikut ini :
Ta = F .r
(2)
Dimana : Ta = torsi jangkar (N-m)
r = jari-jari motor (m)
Berdasarkan sumber tegangan penguatnya
motor DC dibagi menjadi dua yaitu motor DC
penguatan terpisah dan motor DC penguatan
sendiri. Salah satu jenis motor DC penguatan
sendiri adalah motor DC shunt. Rangkaian
ekivalen motor dc shunt dapat dilihat pada
Gambar 2.
Prinsip kerja motor arus searah dapat
dijelaskan dengan Gambar 1.
Gambar 1. Prinsip Kerja Motor DC[1]
Gambar 2. Rangkaian Ekivalen motor dc shunt[3]
Ketika beroperasi, motor dc akan mengalami
proses reaksi jangkar yang sangat berpengaruh
terhadap kinerja, efisiensi, dan torsi dari motor
tersebut. Reaksi jangkar adalah reaksi yang
ditimbulkan pada jangkar akibat adanya interaksi
antara fluks magnetik di kumparan medan
dengan fluks magnetik di kumparan jangkar.
Untuk mengurangi reaksi jangkar ini, ada tiga
cara/teknik yang dapat dilakukan yaitu
melakukan
pergeseran
posisi
sikat,
menambahkan kutub bantu, dan belitan
kompensasi.
Persamaan umum motor arus searah penguatan
shunt[3]:
V =E +I R
(2)
I = I +I
(3)
Dimana :
Vt = tegangan terminal jangkar motor dc (Volt)
Ea = gaya gerak listrik lawan motor dc (volt)
Ia = arus kumparan medan seri (Ampere)
Ra= tahanan jangkar (Ohm)
Salah satu akibat yang ditimbulkan reaksi
jangkar adalah pergeseran atau perpindahan garis
netral searah dengan arah putaran motor. Dalam
hal ini sikat yang semula segaris dengan garis
netral, kini bergeser beberapa derajat dari garis
netral. Untuk itu sikat dipindahkan seirama
dengan perpindahan bidang netral. Namun dalam
penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak
Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere)
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
-123-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya,
pada mesin listrik arus searah, efisiensinya
dinyatakan sebagai berikut[5] :
keluaran yang berguna, selalu ada energi yang
hilang selama proses pengkonversian energi
tersebut. Energi yang hilang tersebut ada yang
dikonversikan menjadi panas dan ada yang
diserap oleh mesin untuk mengatasi gesekan
karena adanya bagian yang berputar di dalam
mesin. Rugi-rugi daya dalam bentuk panas ini
jika nilainya terlalu besar akan dapat
menyebabkan kenaikan temperatur motor yang
dapat merusak isolasi dan mempercepat
berkurangnya umur ekonomis motor sehingga
membatasi daya keluaran motor. Dengan
demikian selalu ada selisih antara daya masukan
dan daya keluaran motor. Ini merupakan rugirugi daya yang terjadi di dalam motor. Dalam
persamaan sinyatakan dengan[4] :
η (%) =
Dimana :
Penelitian dilakukan di Laboratorium
Konversi Energi Listrik Departemen Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan
Januari 2014.
Penelitian
kasus
dilakukan
dengan
melakukan pergeseran posisi sikat sebesar -300,
-200, -100, 00, +100, +200, +300 pada motor dc
shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt
dengan kutub bantu.
Setelah melakukan pengujian, selanjutnya
dilakukan analisis untuk menentukan efisiensi
dan torsi pada posisi sikat -300, -200, -100, 00,
+100, +200, +300 pada motor dc shunt tanpa kutub
bantu dan motor dc shunt dengan kutub bantu.
(4)
a. Torsi Jangkar
Di dalam motor DC, setiap konduktor di
bagian permukaan jangkar akan mengalami gaya
F pada suatu jarak r yang merupakan jari-jari
jangkar. Dengan demikian, masing-masing
konduktor menghasilkan suatu torsi yang
cenderung untuk memutar jangkar. Jumlah
seluruh torsi yang dihasilkan oleh konduktor
jangkar dikenal dengan torsi jangkar (Ta).
Adapun perhitungan efisiensi dan torsi
menggunakan formulasi sebagai berikut :
1. Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu
Pin= Vt x IL (Watt)
Prugi-rugi = (Ia)2 x Ra + (Ish)2 x Rsh (Watt)
Pout = Pin – Prugi-rugi (Watt)
x100%
Efisiensi (η) =
xI
atau
Ta = 9,55 x
N-m
Torsi (Tsh) = 9,55 x
(5)
Pin= Vt x IL (Watt)
Prugi-rugi = (Ia)2 x (Ra + RKB) + (Ish)2 x
Rsh (Watt)
Pout = Pin – Prugi-rugi (Watt)
x100%
Efisiensi (η) =
Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros
untuk melakukan usaha yang berguna dikenal
dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan Tsh.
Torsi poros merupakan torsi yang akan
menghasikan daya keluaran motor yang berguna.
(
Torsi (Tsh) = 9,55 x
)
N-m
/
Rangkaian pengujian posisi sikat motor dc
shunt tanpa kutub bantu dan motor dc shunt
dengan kutub bantu dapat dilihat pada Gambar 3
dan Gambar 4.
atau
Tsh = 9,55 x
N-m
2. Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
b. Torsi Poros
Tsh =
= dayakeluaran
3. Metode Penelitian
Torsi adalah putaran dari suatu gaya terhadap
suatu poros. Ini diukur dengan hasil gaya itu
dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut
bekerja.
Ta = 0,159 x
(7)
P = dayamasukan
P
∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran
Torsi = F x r (N-m)
x100%
(
)
N-m
(6)
-124-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 3/September 2014
4. Analisis Data
Dari pengujian yang dilakukan maka
diperoleh data-data pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Vt = 50 Volt
Rsh = 1250 Ω
Ra = 3,8 Ω
RKB = 2,3 Ω
RL = 100 Ω
Tabel 1. Data Pengujian Posisi Sikat Motor DC
Shunt Tanpa Kutub Bantu
Posisi
Sikat
-300
-200
-100
00
+100
+200
+300
IL (A)
9,37
10,6
11,36
8,78
5,67
5,16
4,61
Ia
(A)
9,33
10,56
11,32
8,74
5,63
5,12
4,57
Ish
(A)
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
n (rpm)
450
450
350
550
550
550
550
Tabel 2. Data Pengujian Posisi Sikat Motor DC
Shunt Dengan Kutub Bantu
Posisi
Sikat
-300
-200
-100
00
+100
+200
+300
Gambar 3. Rangkaian Pengujian Posisi Sikat
Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu
IL (A)
8,07
8,02
7,44
5,95
4,82
4,36
3,93
Ia
(A)
8,03
7.98
7,40
5,91
4,78
4,32
3,89
Ish
(A)
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
n (rpm)
85
115
150
240
240
450
450
Berdasarkan data-data yang diperoleh dari
hasil pengujian diatas, maka dilakukan
perhitungan untuk mendapatkan efisiensi dan
torsi yang dihasilkan motor DC shunt tanpa kutub
bantu dan motor DC shunt dengan kutub bantu
sebagai berikut :
a. Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu
 Posisi Sikat -30
Pin = Vt x IL
= 50 x 9,37
= 468,5 Watt
Prugi-rugi = (Ia)2 x Ra + (Ish)2 x Rsh
= (9,33)2 x 3,8 + (0,04)2 x 1250
= 330,78 + 2
= 332,78 Watt
Pout = Pin – Prugi-rugi
= 468,5 – 332,78
= 135,72 Watt
x100%
η=
Gambar 4. Rangkaian Pengujian Posisi Sikat
Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
-125-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
=
,
,
x100%
VOL. 8 NO. 3/September 2014
Tabel 4. Perbandingan Torsi Motor DC Shunt
Tanpa Kutub Bantu Dengan Motor DC Shunt
Dengan Kutub Bantu
= 28,96 %
Tsh = 9,55 x
= 9,55 x
,
Torsi (N-m)
Tanpa Kutub
Dengan Kutub
Bantu
Bantu
2,88
13,23
2,21
9,36
2,08
8,21
2,54
4,51
2,79
4,40
2,71
2,84
2,58
2,71
Posisi
Sikat
-300
-200
-100
00
+100
+200
+300
= 2,88 N-m
b. Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
 Posisi Sikat -30
Pin = Vt x IL
= 50 x 8,07
= 403,5 Watt
Prugi-rugi = (Ia)2 (Ra + RKB) + (Ish)2 x Rsh
= (8,03)2 (3,8 + 0,6) + (0,04)2 x 1250
= 283,71 + 2
= 285,71 Watt
Pout = Pin – Prugi-rugi
= 403,5 – 285,71
= 117,79 Watt
η=
x100%
Dari Tabel 3 dan Tabel 4 maka akan didapat
grafik perbandingan efisiensi dan torsi motor dc
shunt tanpa kutub bantu vs motor dc shunt
dengan kutub bantu yang ditunjukkan oleh
Gambar 5 dan Gambar 6.
70
,
x100%
=
,
= 29,19 %
Tsh = 9,55 x
60
Efisiensi (%)
,
= 9,55 x
= 13,23 N-m
Dengan melakukan cara perhitungan yang
sama untuk posisi sikat -200, -100, 00, +100, +200,
dan +300, maka diperoleh perbandingan efisiensi
dan torsi yang dihasilkan motor dc shunt tanpa
kutub bantu dan motor dc shunt dengan kutub
bantu seperti pada Tabel 3 danTabel 4.
-300
-200
-100
00
+100
+200
+300
40
30
20
10
0
-40
-20
0
20
40
Posisi Sikat (Derajat)
Motor DC Shunt Tanpa Kutub
Bantu
Tabel 3. Perbandingan Efisiensi Motor DC Shunt
Tanpa Kutub Bantu Dengan Motor DC Shunt
Dengan Kutub Bantu
Posisi
Sikat
50
Gambar 5. Grafik Perbandingan Efisiensi Motor
DC Shunt Tanpa Kutub Bantu vs Motor DC
Shunt Dengan Kutub Bantu
Efisiensi (%)
Tanpa Kutub
Dengan Kutub
Bantu
Bantu
28,96
29,19
19,66
29,62
13,46
34,69
33,42
47,67
56,81
57,45
60,61
61,41
64,70
65,09
-126-
copyright @ DTE FT USU
VOL. 8 NO. 3/September 2014
14
12
10
8
6
4
2
0
[3] Siahaan, Ramcheys. 2012. Studi Pengaruh
Perubahan Posisi Sikat Terhadap Efisiensi
Motor DC Shunt. Medan: Departemen
Teknik
Elektro,
Fakultas
Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
Torsi (N-m)
SINGUDA ENSIKOM
-40
-20
[4] Metha, V.K, dan Rohit Mehta. 2002.
Principles of Electrical Machines. New
Delhi: S. Chand & Company Ltd.
0
20
40
[5] Theraja, B.L. 1989. A Text Book of
Electrical Technology. New Delhi: Nurja
Construction & Development.
Posisi Sikat (Derajat)
Motor DC Shunt Tanpa Kutub Bantu
Motor DC Shunt Dengan Kutub Bantu
Gambar 6. Grafik Perbandingan Torsi Motor DC
Shunt Tanpa Kutub Bantu vs Motor DC Shunt
Dengan Kutub Bantu
5. Kesimpulan
Dari pembahasan yang telah dibuat, maka
diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Pada masing-masing motor DC yang diuji,
efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi
sikat +300 yaitu pada motor DC shunt tanpa
kutub bantu sebesar 64,70 %, sedangkan
pada motor DC dengan kutub bantu sebesar
65,09 %.
2. Pada masing-masing motor DC yang diuji,
torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi
sikat -300 yaitu pada motor DC shunt tanpa
kutub bantu sebesar 2,88 N-m, sedangkan
pada motor DC dengan kutub bantu sebesar
13,23 N-m.
3. Dari hasil analisa dapat dilihat bahwa ada
peningkatan nilai efisiensi dan torsi setelah
ditambahkan kutub bantu.
6. Daftar Pustaka
[1] Purba,
Richard N.
2010.
Analisa
Perbandingan
Pengaruh
Tahanan
Pengereman Dinamis Terhadap Waktu
Antara Motor Arus Searah Penguatan
Kompon Panjang Dengan Penguatan
Kompon Pendek. Medan: Departemen
Teknik
Elektro,
Fakultas
Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
[2] Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar-Dasar Mesin
Listrik. Djambatan. Jakarta.
-127-
copyright @ DTE FT USU