studi pengaturan kecepatan motor dc shunt dengan metode ward

STUDI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC SHUNT
DENGAN METODE WARD LEONARD
(Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)
Dimas Harind Yudha Putra,Riswan Dinzi
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 arus searah merupakan salah satu motor listrik yang sering digunakan oleh industri – industri terutama
industri yang membutuhkan kecepatan putaran yang konstan. Motor arus searah mempunyai pengaturan yang
sangat mudah dilakukan dalam berbagai kecepatan dan beban yang bervariasi. Pengaturan kecepatan pada
motor arus searah dapat dilakukan dengan metode ward leonard. Pengaturan putaran motor ini dilakukan
dengan mengubah-ubah tegangan terminal yang memiliki daerah pengaturan yang luas. Dalam penelitian ini
dilakukan dengan beberapa variasi tegangan dari yang terkecil 20 volt sampai yang terbesar 220 volt untuk
mendapatkan hasil putaran yang juga akan bervariasi. Nilai kecepatan putaran tertinggi yang didapat sebesar
1850 rpm ketika diberi tegangan 220 volt dan kecepatan terendah sebesar 750 rpm ketika diberi tegangan 20
volt.
Kata Kunci: motor dc,pengaturan kecepatan, ward leonard
1. Pendahuluan
Motor DC sangat banyak digunakan dalam
aplikasi industri. Penggunaan motor DC dapat
dijumpai misalnya sebagai motor penggerak
beban
mekanik.
Dalam
penggunaannya
diharapkan motor DC dapat bekerja secara
efisien, dimana efisiennya suatu motor DC dapat
kita lihat dari besarnya nilai efisiensinya.
Berdasarkan hubungan rangkaian penguat
medannya, salah satu jenis motor DC adalah
motor DC
penguatan shunt. Motor DC
penguatan shunt memiliki kecepatan putaran
yang konstan dan tidak tergantung pada beban.
Oleh karena itu cocok untuk penggunaan
komersial dengan beban awal yang rendah,
seperti pada mesin bubut, lift, dan lainlain.Motor DC yang dipergunakan di bidang
industri pada umumnya memiliki kapasitas daya
yang relatif besar dan disesuaikan dengan beban
mekanis dan volume produksi. Untuk itu
diperlukan pengaturan kecepatan motor yang
baik dalam pelaksanaannya.
Penelitian ini difokuskan pada pengaturan
kecepatan motor dengan cara mengatur jumlah
tegangan terminal yang disuplai ke motor
tersebut. Analisis perhitungan yang dilakukan
pada pengujian motor shunt berdasarkan
peralatan yang tersedia
Konversi Energi Listrik.
di
Laboratorium
2. Pengaturan Kecepatan pada Motor
DC Shunt dengan Metode Ward
Leonard
Motor arus searah (motor DC) ialah suatu
mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik
arus searah ( listrik DC ) menjadi tenaga gerak
atau tenaga mekanik, dimana tenaga gerak
tersebut berupa putaran dari pada rotor. Antara
motor DC dan generator DC tak ada perbedaan
konstruksi.Pada prinsipnya, motor DC bisa
dipakai sebagai generator DC, sebaliknya
generator DC dapat dipakai sebagai motor DC
[1].
Pada mesin arus searah terdapat kumparan
medan yang berbentuk kutub sepatu merupakan
stator (bagian yang tidak berputar) dan
kumparan jangkar yang merupakan rotor (bagian
yang berputar) [2].
Motor arus searah bekerja berdasarkan
prinsip yang menyatakan bahwa ketika
kumparan yang membawa arus ditempatkan
dalam medan magnet, maka kumparan
mengalami gaya mekanik. Gaya mekanik ini
copyright DTE FT USU
2014
13
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO.1/Januari 2014
akan menimbulkan torsi yang akan membuat
jangkar berputar [3].
Motor DC bekerja berdasarkan prinsip
interaksi antara dua fluksi magnetik. Ketika
kumparan medan dan kumparan jangkar
dihubungkan dengan suatu sumber tegangan DC
maka pada kumparan medan akan mengalir arus
medan (If) sehingga menghasilkan fluksi magnet
yang arahnya dari kutub utara menuju kutub
selatan. Sedangkan pada kumparan jangkar
menghasilkan arus jangkar (Ia), sehingga pada
konduktor jangkar timbul fluksi magnet yang
melingkar. Fluksi jangkar ini akan memotong
fluksi dari kumparan medan sehingga
menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari
medan utama. Sesuai dengan 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.
F = B .i .l
(1)
Gambar 1. Prinsip perputaran motor DC
Berdasarkan
sumber
tegangan
penguatannya, motor DC dapat dibagi menjadi
dua, yaitu motor DC penguatan bebas
(penguatan luar) dan motor DC penguatan
sendiri. Salah satu jenis motor DC penguatan
sendiri adalah motor DC penguatan shunt [1].
Rangkaian ekivalen motor DC penguatan
shunt dapat dilihat pada Gambar 2 [5]:
Ra
+
Ish
Ia
IL
Dimana :
F = gaya yang bekerja pada konduktor (N)
B = kerapatan fluks magnetic (Wb/m2)
i = arus yang mengalir pada konduktor (A)
l = panjang konduktor (m)
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.
Gaya yang timbul pada konduktor tersebut
akan menghasilkan momen putar atau torsi.
Torsi yang dihasilkan oleh motor dapat
ditentukan dengan persamaan 2.
Ta = F .r
(2)
Dimana :
Ta = torsi jangkar (Newton-meter)
r = jari-jari rotor (meter)
Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban,
maka jangkar akan berputar.
Prinsip kerja motor DC dapat dilihat pada
Gambar 1[4].
Vt
Rsh
+
Ea
-
Gambar 2. Rangkaian ekivalen motor DC
Penguatan shunt
Dari Gambar 2 diatas, diperoleh
persamaan tegangan terminal motor DC
penguatan shunt seperti ditunjukkan oleh
persamaan 3.
Vt = Ea + Ia . Ra
(3)
Vsh = Vt = Ish . Rsh (4)
IL = Ia + Ish
(5)
Dimana:
= arus kumparan medan shunt (ohm)
= tegangan kumparan medan shunt (volt)
= tahanan medan shunt (ohm)
= arus beban (amp)
Pengaturan kecepatan memegang peranan
penting dalam motor arus searah karena motor
arus searah mempunyai karakteristik kopelkecepatan yang menguntungkan dibandingkan
dengan motor lainnya[2].
Kecepatan putaran motor DC dapat
diturunkan dengan persamaan 6.
(6)
copyright DTE FT USU
2014
14
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO.1/Januari 2014
Dimana :
n = jumlah putaran
K =konstanta ( bergantung pada ukuran fisik
motor)
Vt = tegangan terminal
Ra = tahanan jangkar
Ia = arus jangkar
= fluks magnetik
Dengan persamaan diatas, dapat dilihat
bahwa kecepatan putaran motor dapat diatur
dengan cara mengubah :
a) Tahanan jangkar (Ra)
b) Fluks magnetik (
c) Tegangan terminal (Vt)
Salah satu cara pengaturan kecepatan
putaran motor adalah dengan metode
pengaturan tegangan ( Ward Leonard System)
Beberapa
penggunaan
motor
DC
memerlukan daerah pengendalian kecepatan
yang luas dan tahapan yang halus. Sistem Ward
Leonard atau sistem pengaturan tegangan,
memberikan pengendalian yang demikian dan
melibatkan generator lain untuk menggerakan
motor yang kecepatannya dapat diatur [6].
Apabila daya motor besar dan dilakukan
berulang-ulang maka kerugian daya menjadi
besar sekali. Bila motor diinginkan tidak banyak
mengalami kerugian tenaga pada waktu start
(pengasutan), untuk kerja dengan perubahan
kecepatan yang luas maka cara yang paling
efisien adalah dengan mengubah tegangan jepit
motor dengan penguat terpisah sehingga didapat
fluksi magnetik yang tetap penuh untuk semua
macam kecepatan. Selain diperoleh daerah
pengaturan yang luas (dari tegangan jepit nol
sampai tegangan penuh), pengaturan putaran
halus. [1]
M
AC
G
U
Rg
M
DC
Rm
Motor Induksi sebagai motor
penggerak generator G
Motor M
Motor yang putarannya diatur
Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Pengaturan
Kecepatan 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 generato (G). Perubahan tahanan
medan generator G (RG) akan merubah tegangan
jepit U yang diberikan kepada motor dc (M)
yang diatur putarannya. Untuk mengatur putaran
motor M dilakukan dengan mengubah tegangan
jepit U. Untuk itu dilakukan dengan mengatur
tahanan medan (RG) pada belitan generator DC
[1]. Kecepatan motor dapat disetel pada setiap
kecepatan
antara
nol
dan
kecepatan
maksimumnya dengan menyetel eksitasi medan
generator G pada harga yang dikehendaki [1].
Jika pada motor yang sedang bekerja,
tegangan tiba-tiba diturunkan sampai di bawah
harga ggl lawan dari motor, arus jangkar dibalik
dan motor berlaku sebagai generator,
menggerakkan generator sebagai motor. Maka
terjadi pengereman dinamis yang menyebabkan
motor cepat berhenti. Motor dapat dibalik
dengan menurunkan tegangan terminal ke nol
dan membalik arus medan generator. Jika
tegangan dinaikan dengan polaritas berlawanan,
motor bertambah cepat dengan arah yang
berlawanan.
Biaya awal sistem Ward Leonard mahal
dan relative tidak efisien karena adanya
beberapa
transformasi
energi.Tetapi
pengendalian kecepatannya sangat efektif, yaitu
respons terhadap perubahan kecepatannya cepat,
daerah
penyetelan
kecepatannya
luas,
tersedianya pembalikan dan pengereman
dinamis. Dalam penggunaan dimana faktorfaktor ini penting, maka kelebihan sistem Ward
Leonard dapat menutupi harga yang mahal [6].
3. Metode Penelitian
Pengambilan data dalam penelitian ini
dilakukan pada tanggal 31 Mei 2013 pukul
15.00 sampai dengan pukul 17.00 WIB di
Laboratorium
Konversi
Energi
Listrik,
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara (USU).
Objek penelitian ini adalah melakukan
pengukuran terhadap motor DC seri akibat
pergeseran sikat dengan variable motor DC seri
dan sikat pada motor.
Berdasarkan tujuan dari penelitian ini
maka akan dilakukan langkah-langkah sebagai
berikut:
a. Pengumpulan data yang akan menentukan
keberhasilan dalam penelitian yaitu dengan
metode dokumentasi dan metode observasi.
b. Mempersiapkan alat dan bahan untuk
penelitian, semua alat dan bahan yang akan
digunakan harus dipersiapkan terlebih
dahulu.
copyright DTE FT USU
2014
15
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO.1/Januari 2014
c. Mengkondisikan objek penelitian ini dengan
memastikan bahwa motor DC shunt dapat
beroperasi dan mengatur putaran motor.
d. Mengkondisikan alat ukur agar memiliki
validitas yang baik yang harus disetting
dengan benar.
e. Tahap pengambilan data yang meliputi arus
dan putaran terhadap arus medan.
f. 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
kecepatan
putaran
motor.
Dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut:
1. Perhitungan kecepatan putaran motor
2.
3.
4. Hasil dan Analisis
Pengaturan kecepatan motor arus searah
yang dilakukan dalam percobaan ini, adalah
suatu bentuk pengaturan tahanan medan pada
generator yang akan merubah tegangan Vt yang
akan diberikan kepada motor DC penguatan
shunt. Pengaturan putaran motor ini dilakukan
dengan mengubah-ubah tegangan Vt yang
memiliki daerah pengaturan yang cukup luas
(dari tegangan nol sampai tegangan penuh).
Metode ini memiliki banyak keuntungan,
selain daerah pengaturannya yang cukup luas
juga memiliki pengaturan putaran yang halus
serta efisien karena tidak ada kerugian di
tahanan asut. Akan lebih untung lagi jika
diterapkan pada motor DC yang seringkali harus
diasut misalnya motor untuk lift. Kerugiannya
adalah biaya yang sangat tinggi akibat adanya
penambahan generator dan penggeraknya.
Torsi
Daya Output Pout =
4.1 Hasil Pengujian
Motor DC Shunt
Adapun peralatan yang digunakan dalam
melakukan pengukuran terhadap motor motor
DC adalah sebagai berikut :
1. Satu unit Generator DC Penguatan
Bebas AEG 2 KW
2. Satu unit Motor DC Penguatan Shunt
AEG 1,2 KW
3. Satu unit Motor Induksi 3 fasa tipe rotor
belitan AEG Typ C AM 112MU 4RI 2,2
KW
4. Dua unit Voltmeter DC
5. Dua unit Amperemeter DC
6. Tachometer
7. Kabel penghubung
8. Power Transformator DC (PTDC)
9. Power Transformator AC (PTAC)
S1
Tabel 1. Hasil Pengujian Pengaturan Kecepatan
Motor DC Shunt
Vac = 220 Volt
Ra = 3.8
A2
GA
V1
T
MI
G
DC
n
J
V2
K
HB
GA
M
DC
HB
A1
S2
PTDC
Gambar 4. Rangkaian pengujian
Kecepatan
Pada pengujian pengaturan kecepatan
motor dc shunt ini didapat arus jangkar dan
kecepatan tertinggi pada tegangan 220 volt dan
arus jangkar dan kecepatan terendah pada
tegangan 20 volt seperti pada Tabel 1. Tabel 1
menunjukkan hasil pengujian pengaturan
kecepatan motor DC shunt.
Adapun gambar
rangkaian pengujian
motor DC seri akibat pergeseran sikat dalam
keadaan tanpa beban dapat ditunjukkan oleh
gambar 4.
P
T
A
C
Pengaturan
(volt)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
(amp)
0.03
0.07
0.13
0.16
0.21
0.25
0.3
0.36
0.44
0.51
0.64
(amp)
1.44
1.48
1.69
1.78
1.95
2.13
2.27
2.4
2.58
2.68
2.82
(rpm)
750
1150
1400
1450
1500
1550
1610
1650
1700
1760
1850
Dari Tabel 1 terlihat arus jangkar dan
kecepatan tertinggi pada tegangan 220 volt yaitu
sebesar 2.82 A dan 1850 rpm serta arus jangkar
dan kecepatan terendah pada tegangan 20 volt
yaitu 1.44 A dan 750 rpm.
copyright DTE FT USU
2014
16
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO.1/Januari 2014
4.2 Analisis Data
Dari data-data pada Tabel 1 dilakukan
perhitungan untuk mendapatkan torsi dan daya
keluaran untuk setiap tegangan. Dalam
penelitian ini digunakan beberapa persamaanpersamaan yang berlaku didalam perhitungan
motor DC shunt.
Sebelum mencari besarnya torsi dan Pout
motor DC shunt kita tentukan dulu GGL
armatur adalah sebagai berikut:
=
+
(
)
=
-
(
)
Besar kopel elektromagnetik ( torsi jangkar )
adalah
=
Daya output,daya input dan daya rugi-rugi
=2πNT
Gambar 5. Grafik Tegangan Terminal vs Putaran
Motor DC Shunt
Dari gambar grafik diatas terlihat jelas
bahwa kenaikan kecepatan putaran (n) dari
berbagai variasi tegangan (20,40,….,220 volt)
yang dilakukan pengujian dan analisis didapat
kecepatan terendah pada tegangan 20 volt yaitu
750 rpm hingga ke kecepatan tertinggi yaitu
pada tegangan 220 volt yaitu 1850 rpm.
Serta didapat juga perubahan torsi
terhadap tegangan yang dapat dilihat pada
gambar 6.
Dengan melakukan perhitungan seperti
persamaan di atas pada tiap-tiap tegangan, maka
diperoleh torsi dan Pout tertinggi adalah pada
tegangan 220 volt serta torsi dan Pout terendah
adalah pada tegangan 20 volt seperti pada tabel
2.
Tabel 2. Data Hasil Analisa Pengaturan
Kecepatan Motor DC Shunt Dengan
Metode Ward Leonard
(volt)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
(amp)
0.03
0.07
0.13
0.16
0.21
0.25
0.3
0.36
0.44
0.51
0.64
(amp)
1.44
1.48
1.69
1.78
1.95
2.13
2.27
2.4
2.58
2.68
2.82
(rpm)
750
1150
1400
1450
1500
1550
1610
1650
1700
1760
1850
0.0193
0.0298
0.0382
0.0505
0.0617
0.0721
0.0815
0.0914
0.1001
0.1078
0.1131
Torsi
(N-m)
0,0044
0,007
0,01
0,014
0,019
0,024
0,029
0,034
0,041
0,046
0,05
(watt)
20,917
50,876
90,54
130,36
180,55
238,35
298,21
362,112
439,1
508,7
590,18
Sebagaimana hasil yang diperoleh diatas
pada tabel 2, maka secara detail terlihat bahwa
dengan bertambahnya tegangan maka kecepatan
putaran motor akan ikut bertambah seperti pada
gambar 5.
Gambar 6. Grafik Tegangan Terminal vs
Torsi Motor DC Shunt
Dari gambar 6 terlihat jelas bahwa
kenaikan torsi motor dari berbagai variasi
tegangan (20,40,….,220 volt) yang dilakukan
pengujian dan analisis didapat torsi terendah
pada tegangan 20 volt yaitu 0.0044 N-m hingga
ke torsi tertinggi yaitu pada tegangan 220 volt
yaitu 0.05 N-m.
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisa
perhitungan yang telah dilakukan, maka
diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Pada pengaturan kecepatan motor arus
searah penguatan shunt dengan metode
Ward
Leonard
dilakukan
dengan
copyright DTE FT USU
2014
17
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO.1/Januari 2014
mengubah-ubah tegangan terminal motor
arus searah.
2. Dari hasil pengujian, , maka dapat dilihat
dengan bertambahnya nilai tegangan maka
kecepatan putaran motor juga akan
bertambah.
3. Dari hasil pengujian, kecepatan putaran
tertinggi sebesar 1850 rpm ketika diberi
tegangan 220 volt dan kecepatan putaran
terendah sebesar 750 rpm ketika diberi
tegangan 20 volt.
4. Dari analisis data, diperoleh bahwa torsi
dan daya keluaran (Pout) tertinggi diperoleh
pada saat tegangan terminal bernilai 220
volt yaitu sebesar 0,05 N-m dan 590,18
Watt, sedangkan torsi dan daya keluaran
(Pout) terendah diperoleh pada saat tegngan
terminal bernilai 20 volt yaitu sebesar
0,0044 N-m dan 20,917 Watt.
6. Daftar Pustaka
[1]. Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset,
Yogyakarta : 1991.
[2]. Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan
Elektronika Daya, Gramedia Pustaka
Utama, Jakarta : 2000.
[3]. Mehta, V.K. and Rohit Mehta, Principles of
Electrical Enginering and Electronics,
S.Chand & Company Ltd, New Delhi :
2000.
[4]. Hardiansyah, Rizky, Analisa Perbandingan
Pengaruh Posisi Sikat Terhadap Efisiensi
dan Torsi Motor DC Penguatan Kompon
Panjang Dengan Motor DC Penguatan
Kompon Pendek, Departemen Teknik
Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara, Medan : 2013.
[5]. Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin
Listrik, Djambatan, Jakarta : 2001.
[6]. Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian
Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga,
Jakarta : 1986.
copyright DTE FT USU
2014
18