desain dan analisis kinerja pemotong rumput portable

THE 5TH URECOL PROCEEDING
18 February 2017
UAD, Yogyakarta
DESAIN DAN ANALISIS KINERJA PEMOTONG RUMPUT
PORTABLE DAN RECHARGEABLE
Agus Ulinuha1), Rahardian Krisna Aditya2)
Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta
email: [email protected]
2
Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta
email: [email protected]
1
Abstract
Due to the ever-increasing need of fossil fuel consumption, some equipment needs to be developed
to use energy source other than fossil fuel to work. Electricity is one of the resources that may
extensively replace the use of fossil fuels and provides sufficient reduction of fossil fuel consumption.
This paper discusses development of electric grass-cutter, which is environmentally friendly, easy to
use and has less noise. With the lightweight and minimum mechanical vibration, the equipment will
also make the mower experiencing a convenience job. The machine is powered by 12 DC motor and
the electricity is supplied by 6-AH battery. A Pulse Width Modulation (PWM) is developed to control
the motor speed while for charging the battery a conventional adaptor using 3 Amps transformer is
used. There are 2 types of cutter designed for the machine depending on the application type of grass
cutting. Experimental results indicate that the equipment requires light electricity with the current
ranging from 1.03 to 1.98 Amps. For the given storage, the machine may work for at least 3 hours
from a fully charged battery. This research may be further developed by improving mechanical
design in order to reduce friction and other mechanical losses to extend the running time of the
machine.
Keywords: electric grass-cutter, DC motor, speed control, DC chopper
PENDAHULUAN
Untuk menata taman atau pekarangan,
rumput liar seringkali perlu dipotong. Rumput
liar seringkali membuat taman atau pekarangan
terkesan tidak terawat dan dapat menutupi
keindahan tanaman hias yang ditanam. Rumput
juga seringkali tumbuh secara liar di tepi jalan
dan perlu untuk dipangkas. Memotong rumput
dapat dilakukan secara manual dengan
menggunakan pisau atau gunting. Persoalannya
adalah selain melelahkan, juga membutuhkan
waktu yang cukup panjang. Karena alasan
tersebut, pada saat ini orang telah banyak
memanfaatkan mesin pemotong rumput yang
cukup banyak tersedia secara komersial dengan
harga yang semakin terjangkau. Mesin potong
rumput tersebut secara umum digerakkan oleh
motor bakar bensin baik tipe 2 langkah maupun
4 langkah.
Ketersediaan mesin pemotong rumput
bertenaga motor bakar dengan harga terjangkau
membuat pemakaian alat ini secara masif baik
skala rumah tangga maupun instansi/lembaga.
THE 5TH URECOL PROCEEDING
Hal ini secara nasional mengkontribusi
peningkatan konsumsi bahan bakar bensin. Hal
lain yang juga perlu dipertimbangkan adalah
suara mesin potong rumput yang cukup
menimbulkan kebisingan menjadi kurang sesuai
untuk dimanfaatkan pada lingkungan sekolah
maupun rumah sakit. Meskipun dalam skala
kecil, mesin pemotong rumput dengan motor
bakar juga menyumbang polusi bagi udara
sekitar. Sedangkan bagi petugas yang
mengoperasikan mesin pemotong rumput,
terdapat persoalan getaran mesin yang dalam
jangka panjang akan mengganggu kesehatan
fisiologisnya.
Berdasarkan alasan-alasan tersebut, pada
penelitian ini dikembangkan mesin pemotong
rumput menggunakan motor DC 12V magnet
permanen. Motor yang dipakai merupakan
motor bekas penggerak kipas radiator mobil.
Adapun untuk pengaturan kecepatan motor,
dikembangkan sebuah peralatan kendali berbasis
modulasi
lebar
pulsa
(Pulse
Width
Modulation/PWM). Sumber energi listrik yang
631
ISBN 978-979-3812-42-7
THE 5TH URECOL PROCEEDING
18 February 2017
dimanfaatkan berasal dari sebuah batere
berkapasitas 6 Ampere-Hour (AH). Untuk
pengisian batere, dikembangkan piranti
penyearah yang memanfaatkan trafo 12V, 3A.
Hasil pengujian menunjukkan motor dapat
berputar dengan kecepatan yang baik (diatas
2400 rpm) sehingga proses pemotongan dapat
berjalan dengan baik. Terdapat 2 jenis pisau
pemotong yang dikembangkan tergantung pada
jenis dan lokasi rumput yang dipotong.
Keuntungan mesin pemotong rumput
dengan motor listrik adalah biaya produksi yang
rendah sehingga harga jual diharapkan cukup
kompetitif terhadap mesin pemotong rumput
motor bakar. Biaya operasional peralatan ini
terutama hanya berupa konsumsi energi listrik
untuk pengisian batere, sedangkan biaya
perawatan peralatan adalah pengisian air batere
dan penggantian batere serta beberapa piranti
mekanik dan elektronik yang sangat berkala.
Dengan biaya produksi yang rendah serta beaya
operasional dan perawatan yang rendah,
diharapkan peralatan ini dapat merupakan
substitusi pemotong rumput motor bakar.
Pemanfaatan peralatan ini secara masif akan
menyumbang penghematan konsumsi bahan
bakar fosil.
KAJIAN LITERATUR
Mesin pemotong rumput yang saat ini
tersedia secara komersial memanfaatkan bahan
bakar fosil sebagai sumber energi utamanya.
Permasalahan yang pada saat dihadapi adalah
menipisnya cadangan minyak bumi yang
karenanya substitusi dari sumber energi lainnya
perlu secara ekstensif dilakukan. Energi listrik
merupakan salah satu bentuk energi yang cukup
berpeluang untuk menggantikan energi yang
bersumber pada bahan bakar fosil. Pada sisi lain
energi listrik dapat dibangkitkan dari berbagai
sumber energi yang secara luas tersedia di alam.
Diperlukan upaya mengembangkan peralatan
yang memanfaatkan energi listrik dengan tetap
mempertahankan kinerjanya. Salah satunya
adalah mesin pemotong rumput ramah
lingkungan berpenggerak motor listrik.
Selain tujuan konservasi energi dan
pengurangan polusi, keuntungan lainnya adalah
kenyamanan pekerja dalam penggunaan mesin
pemotong rumput. Dalam sebuah survei
THE 5TH URECOL PROCEEDING
UAD, Yogyakarta
diperoleh hasil bahwa pada kalangan pekerja
kebun yang telah biasa menggunakan mesin
pemotong rumput hampir semua merasakan
HAVS (Hand-Arm Vibration Syndrome) atau
syndrome getaran akibat terlalu sering terkena
getaran yang kuat pada saat memegang mesin
pemotong rumput (Zulquernain Mallick, 2010).
Pemanfaatan motor DC sebagai penggerak
mesin pemotong rumput akan menurunkan
secara signifikan timbulknya getaran dan
meningkatakan kenyamanan pekerja dan
melaksanakan aktifitas pemotongan rumput.
Bobot mesin pemotong rumput dengan mesin
DC juga jauh lebih ringan sehingga pekerja tidak
cepat merasa lelah. Disamping itu faktor
keamanan dari peralatan pemotong rumput juga
telah menjadi standar yang harus dipenuhi dalam
rancangan mesin yang diusulkan. Hal ini
terutama karena telah dilakukan penelitian
bahwa tidak sedikit dari pekerja pemotong
rumput yang mengalami cidera tungkai akibat
kecelakaan saat melakukan aktifitas memotong
rumput (Dinesh Mohan, 2004).
Untuk keperluan pemanfaatan motor DC
sebagai mesin potong rumput diperlukan
penelaahan dan pengujian karakteristik motor
DC, sehingga dapat dilakukan pemilihan motor
yang tepat untuk digunakan pada mesin
pemotong rumput. Beberapa parameter yang
perlu diperhatikan dalam pengujian motor DC
meliputi tegangan, arus serta kecepatan. Selain
melihat data pada nameplate, pengujian
laboratorium juga perlu dilakukan. Seluruh
parameter tersebut perlu diperoleh untuk
keperluan pemilihan secara tepat jenis motor DC
yang diperlukan untuk jenis beban tertentu (Hao
Hu, 2011).
Untuk jenis pemotong rumput, motor dc
yang digunakan adalah motor dc shunt. Alasan
pemilihan jenis motor ini adalah karakteristik
kecepatan yang konstan yang diperlukan untuk
pemotongan rumput (Chiasson & Bodson,
1991). Sebuah pemotong rumput juga harus
mempunyai kecepatan minimal 1400 rpm agar
rumput dapat terpotong secara sempurna. Motor
DC shunt secara umum juga membutuhkan arus
kecil, sehingga tepat untuk diterapkan pada
pemotong rumput yang mengambil daya dari
sebuah batere. Pada sisi lain, pengaturan
632
ISBN 978-979-3812-42-7
THE 5TH URECOL PROCEEDING
18 February 2017
kecepatan motor DC juga cukup beragam dan
memudahkan pemilihan yang tepat.
Pengaturan kecepatan motor dilakukan
untuk mengupayakan kinerja optimal peralatan
serta peningkatan efisiensi penggunaan daya.
Metode yang dipilih untuk pengaturan kecepatan
motor DC pada pemotong rumput adalah PWM
(Pulse Width Modulation). PWM merupakan
suatu metode pengaturan kecepatan motor
dengan memanipulasi lebar pulsa tegangan yang
dipasokkan ke motor (D.K Bhattacharyya,
1994).
METODE PENELITIAN
Komponen utama pada mesin pemotong
rumput elektrik adalah motor DC shunt. Dengan
mempertimbangkan karakteristik kecepatan dan
torsi jenis motor DC yang digunakan adalah
motor DC shunt. Peralatan yang dirancang ini
memanfaatkan motor bekas dan yang digunakan
adalah motor penggerak kipas radiator mobil.
Pertimbangannya adalah konsumsi arus yang
rendah dan kecepatannya cukup tinggi. Motor
DC yang digunakan dalam penelitian ini
ditunjukkan dalam Gambar 1.
UAD, Yogyakarta
motor DC. Gambar rangkaian PWM adalah
sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2,
sedangkan bentuk fisik sistem kendali PWM
adalah sebagaimana ditunjukkan pada Gambar
3.
Gambar 2. Rangkaian PWM
Gambar 3. Bentuk fisik rangkaian PWM
Pengisian muatan ke batere menggunakan
piranti pengisi (charger) yang menggunakan
trafo inti besi 3 A dengan tegangan keluaran
12V. Sedangkan dioda yang digunakan adalah
tipe 1N4001. Pengisi ini juga menggunakan
kapasitor sebagai perata tegangan. Bentuk
rangkaian dan bentuk fisik pengisi, masingmasing ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5.
Gambar 1. Motor DC penggerak mesin
pemotong rumput
Untuk keperluan pengaturan kecepatan
motor menggunakan PWM, IC NE555
dimanfaatkan sebagai pembangkit pulsa. Konsep
PWM pada driver motor DC adalah mengatur
lebar sisi positif dan negatif pulsa kendali pada
frekuensi kerja yang tetap. Semakin lebar sisi
pulsa positif maka semakin tinggi kecepatan
putar motor DC dan semakin lebar sisi pulsa
negatif maka semakin rendah kecepatan putar
THE 5TH URECOL PROCEEDING
Gambar 4. Rangkaian pengisi batere
633
ISBN 978-979-3812-42-7
THE 5TH URECOL PROCEEDING
18 February 2017
UAD, Yogyakarta
Gambar 5. Bentuk fisik pengisi batere
Pengisi batere tersebut ditempatkan pada
kotak yang digendong berdekatan dengan batere.
Untuk keperluan pengisian batere cukup dengan
menyambungkan kabel yang disediakan ke
sumber daya listrik dari PLN.
Pada rancangan mesin pemotong rumput ini,
motor DC ditempatkan pada ujung batang
penyangga. Hal ini dimaksudkan untuk
mengurangi beban saat mengangkat tuas
pemotong rumput. Rancangan kotak yang berisi
batere, pengendali PWM dan pengisi batere
adalah sedemikian, sehingga masuk dalam
sebuah kotak yang cukup ringkas dan ringan
untuk digendong. Tidak terdapat bagian yang
berputar dalam kontak tersebut sehingga tidak
menimbulkan getaran. Bentuk fisik mesin
pemotong rumput elektrik adalah sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7.
Gambar 7. Kotak peralatan pemotong rumput
Desain pisau pemotong rumput dalam
penelitian ini terdiri atas 2 tipe, yaitu pisau untuk
memotong rumput pada lokasi bebas dan pisau
untuk memotong rumput pada lokasi yang
berdekatan dengan bangunan fisik. Hal ini
dimaksudkan untuk efektifitas pemotongan
rumput dengan memperhatikan keamanan
peralatan dan pekerja. Bentuk fisik dari
keduanya ditunjukkan pada Gambar 8 dan 9.
Poros yang terkopel dengan motor diatur untuk
memudahkan penggantian pisau.
Gambar 8. Pisau pemotong rumput pada lokasi
bebas
Gambar 6. Tuas piranti pemotong rumput
THE 5TH URECOL PROCEEDING
Gambar 9. Pisau pemotong rumput pada lokasi
berdekatan dengan bangunan
634
ISBN 978-979-3812-42-7
THE 5TH URECOL PROCEEDING
18 February 2017
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dilakukan dalam 2 bentuk, yaitu
pengujian skala laboratorium dan pengujian
kinerja peralatan. Pengujian di laboratorium
meliputi pengujian kinerja kendali PWM dan
pengujian pembebanan motor. Untuk pengujian
kinerja PWM, dilakukan perubahan duty cycle
dan mengamati bentuk tegangan suplai ke motor
menggunakan osiloskop. Perubahan bentuk
gelombang keluaran PWM untuk duty cycle
yang berbeda ditunjukkan pada gambar 10 - 15.
Lebar periode positif dapat diatur dengan
merubah duty cycle pada PWM. Pengaturan duty
cycle dilakukan dengan tahanan variable 20 k.
Tegangan maksimum sebesar 20 V dan periode
gelombang ditentukan sebesar 0,1 ms.
Gambar 15. Duty cycle PWM 100%
Gambar 10 - 15 menunjukkan bahwa PWM
dapat bekerja secara baik dan dapat
dimanfaatkan untuk mengatur kecepatan motor.
Pengujian lainnya untuk skala lab adalah
pengukuran tegangan untuk duty cycle yang
berbeda dengan arus yang dipertahankan tetap.
Hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 1 – 3
yang memberikan gambaran bahwa penambahan
beban motor menyebabkan kenaikan arus. Pada
tabel tersebut juga ditunjukkan bahwa duty cycle
yang lebih besar akan memberikan nilai
tegangan rata-rata yang lebih tinggi. Pada
pengendalian motor DC, beban yang sama
membutuhkan arus yang sama karena torsi
beban yang konstan. Pengaturan kecepatan
dilakukan dengan mengatur tegangan dengan
adjustment duty cycle PWM.
Gambar 10. Duty cycle PWM 0%
Gambar 11. Duty cycle PWM 25%
Gambar 12. Duty cycle PWM 50%
Gambar 14. Duty cycle PWM 75%
THE 5TH URECOL PROCEEDING
UAD, Yogyakarta
Tabel 1: Tegangan motor tanpa beban
Duty Cycle Tegangan Arus
0%
0,05 V
25%
2,92 V
1,03 A
50%
5,85 V
75%
8,78 V
100%
11,71 V
Tabel 2: Tegangan motor dengan beban pisau 1
Duty Cycle Tegangan Arus
0%
0,08 V
25%
2,95 V
50%
5,9 V 1,15 A
75%
8,85 V
100%
11,8 V
Tabel 3: Tegangan motor dengan beban pisau 2
Duty Cycle Tegangan Arus
0%
0,09 V
25%
2,97 V
50%
5,95 V 1,57 A
75%
8,92 V
100%
11,9 V
635
ISBN 978-979-3812-42-7
THE 5TH URECOL PROCEEDING
18 February 2017
Perubahan kecepatan motor karena
pengaturan duty cycle untuk beban yang berbeda
ditunjukkan Tabel 4 yang menunjukkan
kenaikan kecepatan karena penambahan duty
cycle PWM. Pada sisi lain dapat diamati bahwa
untuk beban yang membutuhkan torsi lebih
besar menyebabkan kecepatan maksimum motor
yang lebih rendah. Gambar 16 memberikan
ilustrasi perubahan kecepatan karena perubahan
duty cycle PWM yang dimanfaatkan untuk
pengendalian kecepatan motor untuk beban
berbeda.
Tabel 4: Pengaturan Kecepatan dengan
perubahan duty cycle
Kecepatan Motor (rpm)
Duty Cycle
(%)
Tanpa
Bebann
0
25
50
75
100
0
615
1230
1845
2460
2500
Tanpa Beban
2000
pisau 1
1500
Pisau 2
beban pisau
1
0
610
1220
1830
2441
beban pisau
2
0
602
1202
1803
2405
1000
500
0
0
25
50
75
100
Gambar 16: Pengaturan kecepatan dengan
mengatur duty cycle PWM
Pengujian kinerja peralatan dilakukan
dengan
memanfaatkan
peralatan
yang
dikembangkan untuk memotong rumput. Dari
hasil pengujian diperoleh bahwa untuk batere
yang terisi penuh, penggunaan pisau tipe akan
memungkinkan peralatan bekerja kira-kira 300
menit. Sedangkan jika memakai pisau tipe 2,
peralatan akan bekerja sekitar 120 menit. Hal ini
dapat dipahami bahwa karena pisau tipe 2
membutuhkan arus yang lebih besar, maka
penarikan daya dari batere akan lebih besar.
Dengan demikian energi yang tersimpan dalam
batere akan habis lebih lebih cepat.
KESIMPULAN
Mesin pemotong rumpung dikembangkan
rancangannya dan diimplementasikan pada
THE 5TH URECOL PROCEEDING
UAD, Yogyakarta
piranti yang secara real dimanfaatkan. Beberapa
kesimpulan dari penelitian yang dilakukan dapat
disampaikan sebagai berikut:
1. Diperlukan motor DC dengan torsi konstan
dengan kecepatan tinggi untuk keperluan
pemotongan rumput,
2. Pengaturan kecepatan motor untuk beban
mekanis yang ditetapkan dilakukan dengan
memberikan pasokan arus yang konstan
kemudian mengatur nilai tegangan untuk
mengatur kecepatan,
3. Metode pengaturan kecepatan dilakukan
dengan piranti PWM yang memungkinkan
mengatur nilai tegangan rata-rata dengan
menentukan duty cycle dari piranti,
4. Pengujian pada peralatan menunjukkan
bahwa untuk 2 tipe pisau yang
dikembangkan, cukup efektif memotong
rumput dengan jangka waktu kerja peralatan
yang cukup panjang (300 menit untuk pisau 1
dan 120 menit untuk pisau 2),
5. Perbaikan yang diusulkan untuk peralatan
yang dikembangkan adalah perbaikan piranti
pengisi batere menggunakan piranti yang
lebih ringat serta perbaikan mekanis untuk
menekan rugi-rugi mekanis.
REFERENSI
Chiasson and Bodson, 1991, Adaptive Control
of A Shunt Dc Motor with Persistent
Excitation, Journal of Elsevier, 38, 163168.
Dinesh Mohan, 2004, Development of Safer
Fodder-Cutter Machines: A Case Study
from North India, Journal of Safety
Science, 42, 43-55.
D.K Bhattacharyya, 1994. Stepless PWM Speed
Control of AC Motors: A Neural Network
Approach, Journal of Elsevier, 6, 523539.
Hao Hu, 2011, Analysis of the Mechanical
Characteristics and Determination of
Power Relationship for DC Motor,
Journal of Procedia Engineering, 15,
531-535.
Zulquernain Mallick, 2010, Optimization of the
Operating Parameters of A Grass
Trimming Machine, Journal of Elsevier,
41, 260-265.
636
ISBN 978-979-3812-42-7