際際滷

際際滷Share a Scribd company logo

120882-ID-kajian-penggunaan-motor-listrik-dc-sebag.pdf

Arisman Candra
Arisman Candra

Car

1 of 7
Download to read offline
1 Abstrak Transportasi laut dibagi menjadi transportasi penumpang dan transportasi barang. Perahu adalah salah satu jenis transportasi laut. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan pengkajian penggunaan motor listrik DC sebagai penggerak speedboat dengan membuat simulasi sehingga dapat menentukan motor listrik yang sesuai dengan kebutuhan dan karakteristik dari speedboat. Data speedboat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: = 0,969 ton, V= 0,946 m3 , vs= 7 knot, Lwl= 7,89 m, S = 4,59 m2 , A = 0,158 m2 , Cb= 0,567, h= 0,3 m. Dari hasil simulasi, kapasitas motor DC shunt yang diperlukan untuk menggerakkan speedboat adalah Pm = 2200 W, nm = 1800 rpm, 侶m = 0,9771,Vt = 24 V, D = 0,1217 m, L = 0,1338 m, If = 0,2488 A, Ia = 130,7036 A, Ta = 16,292 Nm. Kapasitas akumulator yang diperlukan selama satu jam adalah 246,8 Ah. Energi baterai dalam satu jam adalah 5923,1 W jam. Sehingga membutuhkan empat buah baterai 24 V 65 Ah terhubung paralel dan tiga buah panel surya 200 Wp. Kata KunciMotor DC Shunt, Baterai, Speedboat, Kapasitas Daya, Energi. I. PENDAHULUAN Kapal speedboat merupakan kategori kapal cepat yang mempunyai kecepatan lebih yang digunakan oleh petugas dalam rangka memberikan pertolongan bila terjadi kecelakaan, dan atau inspeksi/pemeriksaan di pantai, sungai, danau dan penyeberangan. Karakteristik speedboat sebagai berikut: (Eko Sasmito Hadi, 2012: 6) Digunakan untuk membantu kelancaran operasional di alur pantai, sungai, danau dan penyeberangan. Kecepatan dapat mencapai 20 knot atau lebih. Area navigasi pada suatu kawasan yang tidak lebih dari radius 30 mil dari garis pantai. Masih banyak perahu-perahu di Indonesia yang belum menggunakan motor listrik sebagai penggerak. Motor diesel tidak hanya mengkonsumsi bahan bakar, tetapi juga menyebabkan polusi udara sebagai akibat dari emisi gas buang dari motor. Efisiensi motor diesel terbilang rendah. Selain itu, motor diesel juga menimbulkan getaran-getaran dan suara bising. Oleh sebab itu, hanya tersisa sedikit energi yang terkonversi menjadi energi gerak. Berbeda halnya dengan motor listrik, rugi-rugi energi yang paling utama pada motor listrik adalah energi panas. Lima tahun lagi, mobil listrik diperkirakan akan kompetitif seperti kendaraan bermotor bensin atau diesel. Demikian dikatakan oleh Menteri Energi Amerika Serikat Prof. Dr. Steven Chu. Oleh karena itu, motor listrik adalah salah satu alternatif penggerak kapal. Keunggulan dari motor listrik DC yang motor diesel tidak dapat melakukan keunggulan ini, yakni putaran motor listrik dapat diatur sedemikian sehingga motor tersebut bergerak sesuai dengan yang diinginkan. Sehubungan dengan latar belakang yang telah dipaparkan, maka dapat diambil rumusan masalah sebagai berikut: 1. Sebarapa kapasitas motor DC yang diperlukan untuk menggerakkan speedboat. 2. Bagaimana pengaruh torsi terhadap kecepatan putar dari motor DC. 3. Seberapa kapasitas akumulator yang diperlukan untuk memberikan suplai daya ke motor DC. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan pengkajian penggunaan motor listrik DC sebagai penggerak speedboat sehingga dapat menentukan motor listrik yang sesuai dengan kebutuhan dan karakteristik dari speedboat. Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah untuk meningkatkan penggunaan motor listrik sebagai penggerak speedboat dalam meningkatkan upaya penghematan bahan bakar. II. METODE PENELITIAN Langkah-langkah dalam analisis secara umum dapat dilihat pada diagram alir Gambar 1. Gambar 1. Diagram Alir Metode Pengerjaan Penelitian A. Karakteristik penggerak kapal Semua penggerak bekerja pada prinsip memberikan momentum kepada fluida. Kecepatan fluida yang bergerak melalui propulsor bertambah dari v1 ke v2. Gaya dorong T yang dihasilkan adalah: Dengan 畊: massa per unit waktu Kajian Penggunaan Motor Listrik DC Sebagai Penggerak Speedboat Muhammad Afnan Habibi, Soemarwanto, Hery Purnomo Teknik Elektro Universitas Brawijaya Jalan M.T Haryono No.167 Malang 65145 Indonesia Email : afnan.habibi@gmail.com
2 Penggerak kapal yang menggunakan motor diesel, membutuhkan gaya dorong T yang tinggi untuk menggerakkan kapal dari keadaan diam. Kemudian T berkurang sedikit saat terjadi penambahan kecepatan v1 yang sedikit. Sehingga saat kecepatan maksimum v1=v2, gaya dorong T yang dibutuhkan adalah nol. Gambar 2.3 menunjukkan karakteristik gaya dorong T dan efisiensi penggerak kapal terhadap rasio kecepatan v1/v2. Penggerak kapal mempunyai karakteristik sebagai berikut: Gambar 2. Karakteristik penggerak kapal Mesin penggerak kapal dapat dibagi berdasarkan kecepatan putarnya. Kecepatan rendah (90-130 rpm), kecepatan sedang (400-600 rpm), dan kecepatan tinggi (1000-1800 rpm). B. Motor DC Jenis-jenis motor DC berdasarkan penguatan belitan medan: Gambar 3. Jenis motor DC Karakteristik beberapa jenis motor dc adalah: Gambar 4. Karakteristik motor dc Jika sebuah konduktor l bergerak pada kecepatan linier v dalam sebuah medan magnet B, tegangan terinduksi pada konduktor adalah: (P.C. Sen, 1997: 122) e = B l v (2.29) Untuk konduktor yang teraliri arus i, Arah gaya ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan sekrup, gaya Lorentz yang dihasilkan pada konduktor adalah: (P.C. Sen, 1997: 123) f = B l i (2.30) Ada dua bagian utama dari mesin: stator dan rotor. Stator adalah bagian dari mesin tidak bergerak, umumnya bingkai luar mesin. Rotor adalah bagian dari mesin bebas bergerak, umumnya bagian dalam mesin. Beberapa konduktor diletakkan pada alur dari stator atau rotor untuk membentuk belitan. Belitan dengan tegangan dapat terinduksi disebut belitan armature (jangkar). Belitan yang dialiri arus untuk menghasilkan sumber primer dari medan pada mesin disebut belitan field (medan). Selama jangkar berputar pada medan magnet yang dihasilkan oleh kutub stator, dihasilkan tegangan terinduksi pada belitan jangkar. Kita dapat memulai dengan memperhatikan tegangan terinduksi pada lilitan disebabkan perubahan flux 陸, (hukum Faraday). Persamaan tegangan terinduksi Ea: (1) Dengan Ka: Konstanta jangkar m: Kecepatan sudut (rad/s) = 2 nm Semua konduktor pada belitan jangkar menghasilkan torsi dengan arah yang sama. Total torsi T yang dihasilkan: (2) Dengan N: Lilit konduktor p: Jumlah kutub a: Jumlah jalur paralel pada konduktor Ia: Arus jangkar (A) Pada motor, dengan mengabaikan rugi poros terhadap bantalan, daya jangkar (Ea Ia) ke medan magnet dengan sistem elektrik sama dengan daya mekanik (Tm). Dari persamaan : (3) C. Perhitungan kapasitas penggerak kapal Kapasitas daya dihitung sesuai dengan kebutuhan dan fungsi kapal. Untuk memperkirakan seberapa besar daya yang digunakan oleh penggerak, diperlukan penentuan kecepatan kapal, koefisien-koefisien, margin, faktor korelasi kapal dan berbagai macam efisiensi seperti Gambar 2. Gambar 5. Komponen perkiraan daya kapal Separately /shunt
3 Tahanan total merupakan jumlah tahanan gesek RF, tahanan residu RR, dan tahanan udaraRA: (6) Persamaan masing-masing komponen tahanan: (5) (6) (7) Dengan w: massa jenis air = 1,025 ton/m3 a: massa jenis udara 1 atm = 1,23 S: area garis air (m2 ) vs: kecepatan kapal (m/s) Persamaan koefisien quasi propulsive: 侶D= 侶O 侶H 侶R (8) Dengan 侶O: efisiensi open water= 0,3575 侶H: efisiensi lambung = 1,1219 侶R : efisiensi rotasional relatif = 0,9502 Persamaan torsi penggerak kapal QP: (Anthony F. Molland, 2011: 155) Qp = KQwd5 np 2 (9) Dengan KQ: konstanta torsi = 0,0748 d: diameter penggerak = 0,02Lwl np: putaran motor = 42 rps D. Perhitungan parameter motor DC shunt Persamaan diameter maksimal Dmaks adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 468) Dmaks = va /( nm) (10) Persamaan diameter jangkar D adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 493) (11) Dengan Pa: Daya jangkar =Pm=2200W CO: Koefisien keluaran = 2 Bav ac 甦: Rasio busur kutub = 0,7 nm= putaran motor = 30 rps Pembebanan magnetik Bav ditentukan melalui grafik: (A.K.Sawhney, 1970: 494) Gambar 6. Pembebanan magnetik terhadap diameter Pembebanan elektrik ac ditentukan melalui grafik: (A.K.Sawhney, 1970: 495) Gambar 7. Pembebanan magnetik terhadap diameter Jumlah kutub ditentukan dengan grafik: (A.K. Sawhney, 1970: 504) Gambar 8. Jumlah kutub terhadap diameter Persentase tegangan jatuh dan arus medan adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 521) Gambar 9. Persentase tegangan drop dan arus medan Persamaan panjang jangkar L adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 493) (12) Dengan : Persamaan kisar kutub (m) ditentukan persenIf = 0,19/100 persenVRa = 2,1/100. Persamaan tegangan jatuh VRa adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 521) VRa = persenVRaVt (13) If = persenIf It (14) Persamaan arus terminal It adalah: It = Pm/(侶m*Vt) (15) Persamaan fluksi per kutub 陸: 陸 = Bav L (17) E. Perhitungan torsi dan kecepatan motor DC shunt Sebuah diagram skematik dari motor dc shunt ditunjukkan pada Gambar 10. Gambar 10. Rangkaian ekivalen motor DC shunt Motor mendapat daya dari sumber dc, oleh karena itu It mengalir ke mesin dari terminal positif sumber dc.Karena rangkaian medan dan rangkaian jangkar dihubungkan ke sumber dc tegangan konstan, hubungan untuk penguat terpisah dan penguat shunt sama.
4 Perilaku dari rangkaian medan tergantung dari rangkaian jangkar. Persamaan operasi steady-state motor dc adalah sebagai berikut: (P.C. Sen, 1997: 168) (18) Dengan It: Arus terminal (A) Ia: Arus jangkar (A) If: Arus medan (A) Persamaan tegangan induksi jangkar Ea: (19) Dengan Ka: Konstanta jangkar 陸: Fluksi per kutub (Wb) m: Kecepatan sudut motor (rad/s) Vt: Tegangan terminal = 24 V Ra: Tahanan jangkar () Dari persamaan 10, (20) Dari persamaan 2 dan 11, (21) F. Perhitungan kapasitas baterai. Standar nominal baterai adalah tergantung dari nominal tegangan baterai lead-acid 2.0 V dan nikel-cadmium 1.2 V. Sedang nominal kapasitas baterai (Ah) berdasarkan nominal arus pelepasan (A) selama satu jam (h). Jika nominal tegangan baterai adalah 24 V, maka terdapat 12 sel baterai lead-acid tersusun seri, atau terdapat 19 atau 20 sel baterai nikel-cadmium tersusun seri. Daftar nominal baterai yang dapat digunakan bervariasi dari 12 V/6,5 Ah sampai dengan 24 V/65 Ah (David G. Vutetakis, 2001: Chapter 10) Energi pada n-sel baterai adalah: (Allen Fuhs: 102) untuk n-sel terhubung seri (22) untuk n-sel terhubung parallel (23) Hukum Peukert menghubungkan nominal kapasitas baterai untuk melepaskan muatan: (ECEN 4517/5517) Cp = Ik t (24) Setelah menentukan kapasitas beban baterai, maka besar energi yang disuplai oleh panel surya adalah sebesar: EPS= 30% EB (25) Dengan EPS: Energi beban (Wh) EB: Energi baterai (Wh) Asusmsi rugi-rugi (losses) pada sistem dianggap sebesar 15%, maka total energi sistem ET adalah: ET = EPS+ rugi-rugi sistem = EPS + 15% EPS (26) Kapasitas panel surya dihitung dengan mempertimbangkan faktor kebutuhan energi, insolasi matahari, dan faktor penyesuaian. Diambil data insolasi terendah matahari (bulan Januari sebesar 3,91) dari grafik insolasi daerah Jakarta. agar panel surya dapat memenuhi kebutuhan beban setiap saat. Faktor penyesuaian fp pada kebanyakan instalasi panel surya adalah 1,1. Kapasitas panel surya CPS yang dihasilkan adalah: CPS = fp . (ET/insolasi matahari) (27) Kapasitas berat BS yang mampu dibawa oleh speedboat adalah: BS = - Bm - BB - BPS (28) Dengan BS: berat speedboat (kg); : displacement (kg); Bm: berat motor dc (kg); BB: berat baterai (kg); BPS: berat panel surya (kg). III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data speedboat Data speedboat [1] yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Displacement: = 0,969 ton Volume: V= 0,946 m3 Kecepatan kapal: vs = 7 knot Panjang garis air: Lwl = 7,89 m Area garis air: S = 4,59 m2 Luas daerah melintang: A = 0,158 m2 Konstanta blok: Cb = 0,567 Kedalaman kapal terbenam: h = 0,3 m B. Penentuan jenis motor DC Penggerak kapal yang menggunakan motor diesel, membutuhkan gaya dorong T yang tinggi untuk menggerakkan kapal dari keadaan diam. Kemudian T berkurang sedikit saat terjadi penambahan kecepatan v1 yang sedikit. Sehingga saat kecepatan maksimum v1=v2, gaya dorong T yang dibutuhkan adalah nol. Gambar 2 menunjukkan karakteristik gaya dorong T dan efisiensi penggerak kapal terhadap rasio kecepatan v1/v2. Pada Gambar 4 dijelaskan bahwa motor DC shunt berputar dengan kecepatan m dan menghasilkan torsi T. Pada kecepatan maksimum, nilai torsi adalah nol. Sedangkan pada kecepatan nol, nilai torsi adalah maksimum. Torsi tersebut menghasilkan gaya dorong T melalui propeler. Motor DC shunt dapat memenuhi beban speedboat. Jika speedboat membutuhkan torsi yang tinggi saat akan bergerak, maka motor DC shunt dapat menghasilkan torsi yang tinggi untuk membuat speedboat bergerak. Begitu juga sebaliknya, jika speedboat membutuhkan kecepatan tinggi, maka motor DC shunt dapat mengurangi torsi beban untuk mendapatkan kecepatan yang tinggi. C. Perhitungan kapasitas motor DC Dari data speedboat yang didapat, maka perlu dihitung dahulu daya efektif PE menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 2: PE = RT vs Komponen tahanan kapal RT pada persamaan (4) adalah penjumlahan tahanan gesek Rf, tahanan residu RR, dan tahanan udara Ra. RT = Rf+RR+Ra Tahanan gesek Rf dihitung menggunakan persamaan (5): Rf = Cf0,5wvs 2 S Konstanta gesek Cf ditentukan Cf = 0,0028 Dengan w = 1,025 ton/m3 , dan area garis air S = 4,599 m2 Rf = 0,0028.0,5.1,025.3,60082 . 4,599 = 0,0856 kN Tahanan residu RR dihitung menggunakan persamaan (6): RR = CR0,5wvs 2 S Konstanta residu CR ditentukan
5 CR = 0,0035 Maka RR = 0,0035.0,5.1,025.3,60082 .4,599 = 0,1070 kN Tahanan udara Ra dihitung dengan menggunakan persamaan (7): Ra = Ca0,5avw 2 A Ditentukan Ca = 0,9 dan kecepatan udara Beaufort pada air tenang vw = 0,3 m/s. Dengan luas melintang A = 0,158, dan massa jenis udara = 1,23 atm, Ra = 0,9.0,5.1,23.0,32 . 0,158 = 0,0079 kN Maka RT = Rf+RR+Ra = 0,0856+0,1070+0,0079 = 0,2004 kN PE = RT vs = 0,2004. 3,6008= 0,7216 kW Daya terkirim PD dihitung menggunakan persamaan Gambar 2 nomor 4: PD = PE/侶D Efisiensi quasi-propulsive 侶D dihitung menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 3. 侶D = 侶O 侶H 侶R Dengan 侶O=0,3575, 侶H=1,1219, 侶R=0,9502, maka, 侶D = 侶O 侶H 侶R = 0,3575. 1,1219. 0,9502 = 0,3811 Maka PD = PE/侶D = 0,7216/0,3811 = 1,8934 kW Ditentukan SCF = 1 untuk L<122m, PD = PD SCF = 1,8934.1 = 1,8934 kW Digunakan gear untuk menyesuaikan putaran motor dengan putaran propeler, maka efisiensi transmisi 侶T dengan menggunakan gear = 0,95. Daya saluran PS dihitung menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 8. PS = PD/侶T = 1,8934/0,95 = 1,9931 kW Nilai margin berkisar antara 0,15-0,3. Ditentukan margin = 0,15, Daya poros PI dihitung menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 10. PI=(PE/侶D) SCF (1/侶T)+margin= PS+margin = 1,9931+0.15 = 2,1431 kW Torsi propeler Qp dihitung dengan menggunakan persamaan (9): Qp = KQwd5 np 2 Dengan KQ= 0,0748, d =0,1578, np=42, Maka Qp = KQwd5 np 2 = 0,0748. 1,025.0,1578. 42 = 0,0132 kNm D. Perhitungan parameter motor DC shunt Dalam kasus perhitungan parameter motor, maka diperlukan data utama motor DC shunt: , Pm ditentukan menggunakan Tabel 2.9. Pm = 2200 W Putaran motor nominal = 1800 rpm Tegangan terminal Vt = 24 V, mengikuti tegangan nominal dari baterai lead acid. Ditentukan efisiensi motor 侶m = 0,7. nm = rpm/60 = 1800/60 = 30 rps Diameter maksimal Dmaks dihitung menggunakan persamaan (10): Dmaks = va /( nm) Ditentukan kecepatan linier motor va = 13,25 m/s. Dmaks = 13,25/(3,1416. 30) = 0,1406 m Koefisien keluaran motor CO dihitung menggunakan persamaan: CO = 2 Bav ac Beban magnetik Bav sebagai fungsi D ditentukan menggunakan Gambar 6. Dengan Dmaks = 0,1406 m, Bav = 0,125 Beban elektrik ac sebagai fungsi D ditentukan menggunakan Gambar 7. Dengan Dmaks = 0,1406 m, ac = 30000; Maka CO = 3.14162 . 0,125. 30000 = 37011 Jumlah kutub sebagai fungsi D ditentukan menggunakan Gambar 8. Dengan Dmaks = 0,1406, jumlah kutub p = 2. Diameter jangkar dihitung menggunakan persamaan (11): Daya jangkar Pa = daya motor mekanik Pm = 2200 W. Ditentukan 甦 = 0,7. Kisar kutub dihitung menggunakan persamaan: = D / p = 3,1416. 0,1217/2 = 0,1911 m Panjang jangkar dihitung menggunakan persamaan (12): 0,7. 0,1911 = 0,1338 m Tegangan terinduksi jangkar Ea dihitung menggunakan persamaan (19): Ea = Vt-VRa Tegangan jatuh jangkar VRa dihitung menggunakan persamaan (13): VRa = persenVRaVt Persentase arus medan If dan tegangan drop jangkar VRa menggunakan gambar 9. Parpm = Pa.rpm = 3960000 persenIf = 0,19/100 dan persenVRa = 2,1/100. VRa = persenVRaVt= (2,1/100) 24 = 0,5040 V Maka tegangan induksi jangkar Ea, Ea = Vt-VRa = 24-0,5040 = 23,4960 V If dihitung menggunakan persamaan (14): If = persenIf It Dengan mengabaikan If maka arus jangkar Ia sama dengan arus terminal. Arus terminal It dihitung menggunakan persamaan (15): It = Pm/(侶m*Vt) = 2200/(0,7.24) = 130,9524 A If = (0,19/100) 130,9524 = 0,2488 A Arus jangkar Ia dihitung menggunakan persamaan (18): Ia = It-If = 130,7036 A Fluksi per kutub 陸 dihitung menggunakan persamaan (17): 陸 = Bav L = 0,125. 0,1911. 0,1338 = 0,0032 Wb Resistansi jangkar Ra: Ra=VRa/Ia =0,5040/130,7036 = 0,0039 Effisiensi motor 侶m menjadi: 侶m = Pout/Pin = (EaIa)/(VtIt) = 23,496.130,7036/24.130,9524 = 0,97714
6 E. Perhitungan torsi dan kecepatan motor DC shunt Konstanta jangkar Ka dihitung menggunakan persamaan (3): Dengan mengabaikan rugi poros dengan bantalan, Pa = Ea Ia = 23,4960. 130,7036 = 3071W Ta = Pa/(2 nm) = 3071/(2.3,1416.30) = 16,292 Nm Ka = Ta/(陸 Ia) = 16,292 /(0,0043.130,7036) = 38,9891 Kecepatan sudut m dihitung menggunakan persamaan (21). Peningkatan T adalah 0,1 Nm secara bertahap. Maka T berturut-urut adalah 16,392; 16,492; 16,592; dst. Pada iterasi 1, T = 16,392 Nm, maka , n, dan I adalah: =188,47 rad/s n = 60/(2) = 60.188,47/(2.3,1416) =1799,8 rpm I = T/(Ka陸) = 16,392/(38,989. 0,0032) = 131,51 A. Pada iterasi ke-2, T = 16,492 Nm, maka , n, dan I adalah: =188,45 rad/s n = 60/(2) = 60.188,45/(2.3,1416) = 1799,5 rpm I = T/(Ka陸) = 16,492/(38,989. 0,0032) = 132,31A. Pada iterasi ke-3, T = 16,592 Nm, maka , n, dan I adalah: =188,42 rad/s n = 60/(2) = 60.188,42/(2.3,1416) = 1799,3 rpm I = T/(Ka陸) = 16,592/(38,989. 0,0032) = 133,11 A. Peningkatan torsi menyebabkan peningkatan arus jangkar. Ketika I telah mencapai 125% dari Ia, maka motor harus dalam keadaan trip. Oleh karena itu, proses perhitungan berhenti saat I <= 125% Ia. Proses perhitungan berhenti pada iterasi ke-40, dengan T=20,292 Nm, maka , n, dan I adalah: =187,5 rad/s n = 60/(2) = 60.187,5/(2.3,1416) = 1790,5 rpm I =T/(Ka陸) = 20,292 /(38,989. 0,0032) = 162,79 A. Hasil dari perhitungan iterasi dapat dilihat dalam Tabel 4.1 sebagai berikut: Tabel 4.1. Hasil Perhitungan Iterasi i T(Nm) I(A) (rad/s) n(rpm) 1 16.392 131.51 188.47 1799.8 2 16.492 132.31 188.45 1799.5 3 16.592 133.11 188.42 1799.3 4 16.692 133.91 188.40 1799.1 5 16.792 134.71 188.37 1798.8 6 16.892 135.52 188.35 1798.6 7 16.992 136.32 188.32 1798.3 8 17.092 137.12 188.30 1798.1 9 17.192 137.92 188.27 1797.9 10 17.292 138.73 188.25 1797.6 11 17.392 139.53 188.22 1797.4 12 17.492 140.33 188.20 1797.2 13 17.592 141.13 188.17 1796.9 14 17.692 141.94 188.15 1796.7 15 17.792 142.74 188.12 1796.4 16 17.892 143.54 188.10 1796.2 17 17.992 144.34 188.07 1796.0 18 18.092 145.14 188.05 1795.7 19 18.192 145.95 188.02 1795.5 20 18.292 146.75 188.00 1795.3 21 18.392 147.55 187.97 1795.0 22 18.492 148.35 187.95 1794.8 23 18.592 149.16 187.92 1794.5 24 18.692 149.96 187.90 1794.3 25 18.792 150.76 187.88 1794.1 26 18.892 151.56 187.85 1793.8 27 18.992 152.36 187.83 1793.6 28 19.092 153.17 187.80 1793.4 29 19.192 153.97 187.78 1793.1 30 19.292 154.77 187.75 1792.9 31 19.392 155.57 187.73 1792.7 32 19.492 156.38 187.70 1792.4 33 19.592 157.18 187.68 1792.2 34 19.692 157.98 187.65 1791.9 35 19.792 158.78 187.63 1791.7 36 19.892 159.58 187.60 1791.5 37 19.992 160.39 187.58 1791.2 38 20.092 161.19 187.55 1791.0 39 20.192 161.99 187.53 1790.8 40 20.292 162.79 187.50 1790.5 41 20.392 163.60 187.48 1790.3 Dari tabel 4.1, dapat diperoleh karakteristik putaran sebagai fungsi dari torsi motor dc shunt seperti terlihat pada Gambar 4.1. Penambahan torsi pada motor menyebabkan putaran motor berkurang.
7 Gambar 4.1. Karakteristik Putaran-Torsi Motor DC Shunt F. Perhitungan kapasitas baterai It = If+Ia = 130,95 A Ditentukan k = 1,13 dan t = 1 jam. Maka kapasitas baterai C dihitung menggunakan persamaan (24): C = t It k = 246,8Ah Energi total Et dalam 1 jam adalah Vt C = 5923,1 watt Jam Energi total Et = energi baterai = E., Jika digunakan baterai dengan tegangan VO = 24 V dan kapasitas CO = 65 Ah, tegangan motor = tegangan baterai = VO, maka jumlah baterai N yang terhubung paralel, dihitung menggunakan persamaan (23): N = 3,7969 = 4 buah Setelah menentukan kapasitas beban baterai, maka besar energi yang disuplai oleh panel surya dihitung menggunakan persamaan (25): EPS = 30% EB= 0,3. 5923,1 EPS = 1776,9 Watt jam Asusmsi rugi-rugi (losses) pada sistem dianggap sebesar 15%, maka total energi sistem panel surya ET dihitung menggunakan persamaan (26): ET = EPS + 15% EPS = 1776,9+0,15. 1776,9 ET = 2043,5 Watt jam Diambil data insolasi terendah matahari adalah 3, 91 jam. Faktor penyesuaian fp pada kebanyakan instalasi panel surya adalah 1,1. Kapasitas panel surya CPS dihitung menggunakan persamaan (27): CPS = fp . (ET/insolasi matahari)= 1,1.(2043,5/3, 91) CPS = 574,89 Wp Dengan menggunakan panel surya 200Wp, jumlah panel surya yang dibutuhkan adalah: NPS= CPS/200 NPS = 2,8744 = 3 buah Berat motor Bm= 7 kg, Berat baterai BB = 4.15 = 60 kg, Berat panel surya = 3.17 = 51 kg. Kapasitas berat speedboat BS dihitung menggunakan persamaan (28): BS = - Bm - BB - BPS = 969 7- 60 51 = 851 kg Asumsi berat 1 orang =100 kg, maka jumlah penumpang Np adalah: Np = BS/100 = 851/100 = 8,51 = 8 orang IV. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Kesimpulan yang didapat dari penelitian ini adalah: 1. Kapasitas motor DC shunt yang diperlukan untuk menggerakkan speedboat: Daya nominal Pm = 2200 W Putaran nominal = 1800 rpm Tegangan Vt = 24 V Diameter D = 0,1217 m Panjang L = 0,1338 m Arus medan If = 0,2488 A Tegangan jatuh jangkar VRa = 0,5040 V Arus beban penuh Ia = 130,7036 A Resistansi jangkar Ra = 0,0039 Efisiensi motor = 0,9771 2. Pada kondisi beban penuh, putaran motor 1800 rpm, arus jangkar motor 130,7036 A dan torsi motor 16,292 Nm. Pada kondisi arus jangkar maksimal 163,3795 A, diperoleh torsi maksimal 20,292 Nm dan putaran motor menjadi 1790,5 rpm. 3. Kapasitas akumulator yang diperlukan untuk memberikan suplai daya ke motor DC shunt selama satu jam adalah 246,8 Ah. Energi baterai dalam satu jam adalah 5923,1 W jam. Sehingga membutuhkan empat buah baterai 24 V 65 Ah terhubung paralel dan tiga buah panel surya 200 Wp. B. Saran Penelitian ini masih kurang sempurna dikarenakan tidak adanya pengukuran secara langsung sehingga nilai parameter-parameter dari motor kurang akurat. Selain itu keterbatasan alat juga menjadi kendala pada penelitian ini, sehingga tidak dapat dilakukan analisis transien dari motor dc. REFERENSI [1] Chandra, H., 2010, Kajian Aplikasi Sel Surya Sebagai Sumber Tenaga Penggerak Kapal Tanpa Bbm, BPPKP Kementrian Kelautan dan Perikanan: Jakarta. [2] ECEN 4517/5517, Lecture: Lead-acid batteries. [3] Fuhs, Allen., Chapter 6: Multifaceted Complexity of Batteries. [4] Karlsen, A.T., 2012, On Modeling of a Ship Propulsion System for Control Purposes, Norwegia. [5] Man Diesel & Turbo, 2011, Basic Principles of Ship Propulsion, Denmark. [6] Molland, A. F., 2011, Ship Resistance and Propulsion, Cambridge University Press: United States of America. [7] Sawhney, A. K., 1970, Electrical Machine Design, D. R. Printing Service: Delhi. [8] Sen, P. C., 1997, Principles of Electrical Machines and Power Electronics, Lehigh Press: United States of America. [9] Vutetakis, D. G., 2001, The Avionics Handbook Ch. 10: Batteries, CRC Press: LLC.

More Related Content

120882-ID-kajian-penggunaan-motor-listrik-dc-sebag.pdf

  • 1. 1 Abstrak Transportasi laut dibagi menjadi transportasi penumpang dan transportasi barang. Perahu adalah salah satu jenis transportasi laut. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan pengkajian penggunaan motor listrik DC sebagai penggerak speedboat dengan membuat simulasi sehingga dapat menentukan motor listrik yang sesuai dengan kebutuhan dan karakteristik dari speedboat. Data speedboat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: = 0,969 ton, V= 0,946 m3 , vs= 7 knot, Lwl= 7,89 m, S = 4,59 m2 , A = 0,158 m2 , Cb= 0,567, h= 0,3 m. Dari hasil simulasi, kapasitas motor DC shunt yang diperlukan untuk menggerakkan speedboat adalah Pm = 2200 W, nm = 1800 rpm, 侶m = 0,9771,Vt = 24 V, D = 0,1217 m, L = 0,1338 m, If = 0,2488 A, Ia = 130,7036 A, Ta = 16,292 Nm. Kapasitas akumulator yang diperlukan selama satu jam adalah 246,8 Ah. Energi baterai dalam satu jam adalah 5923,1 W jam. Sehingga membutuhkan empat buah baterai 24 V 65 Ah terhubung paralel dan tiga buah panel surya 200 Wp. Kata KunciMotor DC Shunt, Baterai, Speedboat, Kapasitas Daya, Energi. I. PENDAHULUAN Kapal speedboat merupakan kategori kapal cepat yang mempunyai kecepatan lebih yang digunakan oleh petugas dalam rangka memberikan pertolongan bila terjadi kecelakaan, dan atau inspeksi/pemeriksaan di pantai, sungai, danau dan penyeberangan. Karakteristik speedboat sebagai berikut: (Eko Sasmito Hadi, 2012: 6) Digunakan untuk membantu kelancaran operasional di alur pantai, sungai, danau dan penyeberangan. Kecepatan dapat mencapai 20 knot atau lebih. Area navigasi pada suatu kawasan yang tidak lebih dari radius 30 mil dari garis pantai. Masih banyak perahu-perahu di Indonesia yang belum menggunakan motor listrik sebagai penggerak. Motor diesel tidak hanya mengkonsumsi bahan bakar, tetapi juga menyebabkan polusi udara sebagai akibat dari emisi gas buang dari motor. Efisiensi motor diesel terbilang rendah. Selain itu, motor diesel juga menimbulkan getaran-getaran dan suara bising. Oleh sebab itu, hanya tersisa sedikit energi yang terkonversi menjadi energi gerak. Berbeda halnya dengan motor listrik, rugi-rugi energi yang paling utama pada motor listrik adalah energi panas. Lima tahun lagi, mobil listrik diperkirakan akan kompetitif seperti kendaraan bermotor bensin atau diesel. Demikian dikatakan oleh Menteri Energi Amerika Serikat Prof. Dr. Steven Chu. Oleh karena itu, motor listrik adalah salah satu alternatif penggerak kapal. Keunggulan dari motor listrik DC yang motor diesel tidak dapat melakukan keunggulan ini, yakni putaran motor listrik dapat diatur sedemikian sehingga motor tersebut bergerak sesuai dengan yang diinginkan. Sehubungan dengan latar belakang yang telah dipaparkan, maka dapat diambil rumusan masalah sebagai berikut: 1. Sebarapa kapasitas motor DC yang diperlukan untuk menggerakkan speedboat. 2. Bagaimana pengaruh torsi terhadap kecepatan putar dari motor DC. 3. Seberapa kapasitas akumulator yang diperlukan untuk memberikan suplai daya ke motor DC. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan pengkajian penggunaan motor listrik DC sebagai penggerak speedboat sehingga dapat menentukan motor listrik yang sesuai dengan kebutuhan dan karakteristik dari speedboat. Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah untuk meningkatkan penggunaan motor listrik sebagai penggerak speedboat dalam meningkatkan upaya penghematan bahan bakar. II. METODE PENELITIAN Langkah-langkah dalam analisis secara umum dapat dilihat pada diagram alir Gambar 1. Gambar 1. Diagram Alir Metode Pengerjaan Penelitian A. Karakteristik penggerak kapal Semua penggerak bekerja pada prinsip memberikan momentum kepada fluida. Kecepatan fluida yang bergerak melalui propulsor bertambah dari v1 ke v2. Gaya dorong T yang dihasilkan adalah: Dengan 畊: massa per unit waktu Kajian Penggunaan Motor Listrik DC Sebagai Penggerak Speedboat Muhammad Afnan Habibi, Soemarwanto, Hery Purnomo Teknik Elektro Universitas Brawijaya Jalan M.T Haryono No.167 Malang 65145 Indonesia Email : afnan.habibi@gmail.com
  • 2. 2 Penggerak kapal yang menggunakan motor diesel, membutuhkan gaya dorong T yang tinggi untuk menggerakkan kapal dari keadaan diam. Kemudian T berkurang sedikit saat terjadi penambahan kecepatan v1 yang sedikit. Sehingga saat kecepatan maksimum v1=v2, gaya dorong T yang dibutuhkan adalah nol. Gambar 2.3 menunjukkan karakteristik gaya dorong T dan efisiensi penggerak kapal terhadap rasio kecepatan v1/v2. Penggerak kapal mempunyai karakteristik sebagai berikut: Gambar 2. Karakteristik penggerak kapal Mesin penggerak kapal dapat dibagi berdasarkan kecepatan putarnya. Kecepatan rendah (90-130 rpm), kecepatan sedang (400-600 rpm), dan kecepatan tinggi (1000-1800 rpm). B. Motor DC Jenis-jenis motor DC berdasarkan penguatan belitan medan: Gambar 3. Jenis motor DC Karakteristik beberapa jenis motor dc adalah: Gambar 4. Karakteristik motor dc Jika sebuah konduktor l bergerak pada kecepatan linier v dalam sebuah medan magnet B, tegangan terinduksi pada konduktor adalah: (P.C. Sen, 1997: 122) e = B l v (2.29) Untuk konduktor yang teraliri arus i, Arah gaya ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan sekrup, gaya Lorentz yang dihasilkan pada konduktor adalah: (P.C. Sen, 1997: 123) f = B l i (2.30) Ada dua bagian utama dari mesin: stator dan rotor. Stator adalah bagian dari mesin tidak bergerak, umumnya bingkai luar mesin. Rotor adalah bagian dari mesin bebas bergerak, umumnya bagian dalam mesin. Beberapa konduktor diletakkan pada alur dari stator atau rotor untuk membentuk belitan. Belitan dengan tegangan dapat terinduksi disebut belitan armature (jangkar). Belitan yang dialiri arus untuk menghasilkan sumber primer dari medan pada mesin disebut belitan field (medan). Selama jangkar berputar pada medan magnet yang dihasilkan oleh kutub stator, dihasilkan tegangan terinduksi pada belitan jangkar. Kita dapat memulai dengan memperhatikan tegangan terinduksi pada lilitan disebabkan perubahan flux 陸, (hukum Faraday). Persamaan tegangan terinduksi Ea: (1) Dengan Ka: Konstanta jangkar m: Kecepatan sudut (rad/s) = 2 nm Semua konduktor pada belitan jangkar menghasilkan torsi dengan arah yang sama. Total torsi T yang dihasilkan: (2) Dengan N: Lilit konduktor p: Jumlah kutub a: Jumlah jalur paralel pada konduktor Ia: Arus jangkar (A) Pada motor, dengan mengabaikan rugi poros terhadap bantalan, daya jangkar (Ea Ia) ke medan magnet dengan sistem elektrik sama dengan daya mekanik (Tm). Dari persamaan : (3) C. Perhitungan kapasitas penggerak kapal Kapasitas daya dihitung sesuai dengan kebutuhan dan fungsi kapal. Untuk memperkirakan seberapa besar daya yang digunakan oleh penggerak, diperlukan penentuan kecepatan kapal, koefisien-koefisien, margin, faktor korelasi kapal dan berbagai macam efisiensi seperti Gambar 2. Gambar 5. Komponen perkiraan daya kapal Separately /shunt
  • 3. 3 Tahanan total merupakan jumlah tahanan gesek RF, tahanan residu RR, dan tahanan udaraRA: (6) Persamaan masing-masing komponen tahanan: (5) (6) (7) Dengan w: massa jenis air = 1,025 ton/m3 a: massa jenis udara 1 atm = 1,23 S: area garis air (m2 ) vs: kecepatan kapal (m/s) Persamaan koefisien quasi propulsive: 侶D= 侶O 侶H 侶R (8) Dengan 侶O: efisiensi open water= 0,3575 侶H: efisiensi lambung = 1,1219 侶R : efisiensi rotasional relatif = 0,9502 Persamaan torsi penggerak kapal QP: (Anthony F. Molland, 2011: 155) Qp = KQwd5 np 2 (9) Dengan KQ: konstanta torsi = 0,0748 d: diameter penggerak = 0,02Lwl np: putaran motor = 42 rps D. Perhitungan parameter motor DC shunt Persamaan diameter maksimal Dmaks adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 468) Dmaks = va /( nm) (10) Persamaan diameter jangkar D adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 493) (11) Dengan Pa: Daya jangkar =Pm=2200W CO: Koefisien keluaran = 2 Bav ac 甦: Rasio busur kutub = 0,7 nm= putaran motor = 30 rps Pembebanan magnetik Bav ditentukan melalui grafik: (A.K.Sawhney, 1970: 494) Gambar 6. Pembebanan magnetik terhadap diameter Pembebanan elektrik ac ditentukan melalui grafik: (A.K.Sawhney, 1970: 495) Gambar 7. Pembebanan magnetik terhadap diameter Jumlah kutub ditentukan dengan grafik: (A.K. Sawhney, 1970: 504) Gambar 8. Jumlah kutub terhadap diameter Persentase tegangan jatuh dan arus medan adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 521) Gambar 9. Persentase tegangan drop dan arus medan Persamaan panjang jangkar L adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 493) (12) Dengan : Persamaan kisar kutub (m) ditentukan persenIf = 0,19/100 persenVRa = 2,1/100. Persamaan tegangan jatuh VRa adalah: (A.K.Sawhney, 1970: 521) VRa = persenVRaVt (13) If = persenIf It (14) Persamaan arus terminal It adalah: It = Pm/(侶m*Vt) (15) Persamaan fluksi per kutub 陸: 陸 = Bav L (17) E. Perhitungan torsi dan kecepatan motor DC shunt Sebuah diagram skematik dari motor dc shunt ditunjukkan pada Gambar 10. Gambar 10. Rangkaian ekivalen motor DC shunt Motor mendapat daya dari sumber dc, oleh karena itu It mengalir ke mesin dari terminal positif sumber dc.Karena rangkaian medan dan rangkaian jangkar dihubungkan ke sumber dc tegangan konstan, hubungan untuk penguat terpisah dan penguat shunt sama.
  • 4. 4 Perilaku dari rangkaian medan tergantung dari rangkaian jangkar. Persamaan operasi steady-state motor dc adalah sebagai berikut: (P.C. Sen, 1997: 168) (18) Dengan It: Arus terminal (A) Ia: Arus jangkar (A) If: Arus medan (A) Persamaan tegangan induksi jangkar Ea: (19) Dengan Ka: Konstanta jangkar 陸: Fluksi per kutub (Wb) m: Kecepatan sudut motor (rad/s) Vt: Tegangan terminal = 24 V Ra: Tahanan jangkar () Dari persamaan 10, (20) Dari persamaan 2 dan 11, (21) F. Perhitungan kapasitas baterai. Standar nominal baterai adalah tergantung dari nominal tegangan baterai lead-acid 2.0 V dan nikel-cadmium 1.2 V. Sedang nominal kapasitas baterai (Ah) berdasarkan nominal arus pelepasan (A) selama satu jam (h). Jika nominal tegangan baterai adalah 24 V, maka terdapat 12 sel baterai lead-acid tersusun seri, atau terdapat 19 atau 20 sel baterai nikel-cadmium tersusun seri. Daftar nominal baterai yang dapat digunakan bervariasi dari 12 V/6,5 Ah sampai dengan 24 V/65 Ah (David G. Vutetakis, 2001: Chapter 10) Energi pada n-sel baterai adalah: (Allen Fuhs: 102) untuk n-sel terhubung seri (22) untuk n-sel terhubung parallel (23) Hukum Peukert menghubungkan nominal kapasitas baterai untuk melepaskan muatan: (ECEN 4517/5517) Cp = Ik t (24) Setelah menentukan kapasitas beban baterai, maka besar energi yang disuplai oleh panel surya adalah sebesar: EPS= 30% EB (25) Dengan EPS: Energi beban (Wh) EB: Energi baterai (Wh) Asusmsi rugi-rugi (losses) pada sistem dianggap sebesar 15%, maka total energi sistem ET adalah: ET = EPS+ rugi-rugi sistem = EPS + 15% EPS (26) Kapasitas panel surya dihitung dengan mempertimbangkan faktor kebutuhan energi, insolasi matahari, dan faktor penyesuaian. Diambil data insolasi terendah matahari (bulan Januari sebesar 3,91) dari grafik insolasi daerah Jakarta. agar panel surya dapat memenuhi kebutuhan beban setiap saat. Faktor penyesuaian fp pada kebanyakan instalasi panel surya adalah 1,1. Kapasitas panel surya CPS yang dihasilkan adalah: CPS = fp . (ET/insolasi matahari) (27) Kapasitas berat BS yang mampu dibawa oleh speedboat adalah: BS = - Bm - BB - BPS (28) Dengan BS: berat speedboat (kg); : displacement (kg); Bm: berat motor dc (kg); BB: berat baterai (kg); BPS: berat panel surya (kg). III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data speedboat Data speedboat [1] yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Displacement: = 0,969 ton Volume: V= 0,946 m3 Kecepatan kapal: vs = 7 knot Panjang garis air: Lwl = 7,89 m Area garis air: S = 4,59 m2 Luas daerah melintang: A = 0,158 m2 Konstanta blok: Cb = 0,567 Kedalaman kapal terbenam: h = 0,3 m B. Penentuan jenis motor DC Penggerak kapal yang menggunakan motor diesel, membutuhkan gaya dorong T yang tinggi untuk menggerakkan kapal dari keadaan diam. Kemudian T berkurang sedikit saat terjadi penambahan kecepatan v1 yang sedikit. Sehingga saat kecepatan maksimum v1=v2, gaya dorong T yang dibutuhkan adalah nol. Gambar 2 menunjukkan karakteristik gaya dorong T dan efisiensi penggerak kapal terhadap rasio kecepatan v1/v2. Pada Gambar 4 dijelaskan bahwa motor DC shunt berputar dengan kecepatan m dan menghasilkan torsi T. Pada kecepatan maksimum, nilai torsi adalah nol. Sedangkan pada kecepatan nol, nilai torsi adalah maksimum. Torsi tersebut menghasilkan gaya dorong T melalui propeler. Motor DC shunt dapat memenuhi beban speedboat. Jika speedboat membutuhkan torsi yang tinggi saat akan bergerak, maka motor DC shunt dapat menghasilkan torsi yang tinggi untuk membuat speedboat bergerak. Begitu juga sebaliknya, jika speedboat membutuhkan kecepatan tinggi, maka motor DC shunt dapat mengurangi torsi beban untuk mendapatkan kecepatan yang tinggi. C. Perhitungan kapasitas motor DC Dari data speedboat yang didapat, maka perlu dihitung dahulu daya efektif PE menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 2: PE = RT vs Komponen tahanan kapal RT pada persamaan (4) adalah penjumlahan tahanan gesek Rf, tahanan residu RR, dan tahanan udara Ra. RT = Rf+RR+Ra Tahanan gesek Rf dihitung menggunakan persamaan (5): Rf = Cf0,5wvs 2 S Konstanta gesek Cf ditentukan Cf = 0,0028 Dengan w = 1,025 ton/m3 , dan area garis air S = 4,599 m2 Rf = 0,0028.0,5.1,025.3,60082 . 4,599 = 0,0856 kN Tahanan residu RR dihitung menggunakan persamaan (6): RR = CR0,5wvs 2 S Konstanta residu CR ditentukan
  • 5. 5 CR = 0,0035 Maka RR = 0,0035.0,5.1,025.3,60082 .4,599 = 0,1070 kN Tahanan udara Ra dihitung dengan menggunakan persamaan (7): Ra = Ca0,5avw 2 A Ditentukan Ca = 0,9 dan kecepatan udara Beaufort pada air tenang vw = 0,3 m/s. Dengan luas melintang A = 0,158, dan massa jenis udara = 1,23 atm, Ra = 0,9.0,5.1,23.0,32 . 0,158 = 0,0079 kN Maka RT = Rf+RR+Ra = 0,0856+0,1070+0,0079 = 0,2004 kN PE = RT vs = 0,2004. 3,6008= 0,7216 kW Daya terkirim PD dihitung menggunakan persamaan Gambar 2 nomor 4: PD = PE/侶D Efisiensi quasi-propulsive 侶D dihitung menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 3. 侶D = 侶O 侶H 侶R Dengan 侶O=0,3575, 侶H=1,1219, 侶R=0,9502, maka, 侶D = 侶O 侶H 侶R = 0,3575. 1,1219. 0,9502 = 0,3811 Maka PD = PE/侶D = 0,7216/0,3811 = 1,8934 kW Ditentukan SCF = 1 untuk L<122m, PD = PD SCF = 1,8934.1 = 1,8934 kW Digunakan gear untuk menyesuaikan putaran motor dengan putaran propeler, maka efisiensi transmisi 侶T dengan menggunakan gear = 0,95. Daya saluran PS dihitung menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 8. PS = PD/侶T = 1,8934/0,95 = 1,9931 kW Nilai margin berkisar antara 0,15-0,3. Ditentukan margin = 0,15, Daya poros PI dihitung menggunakan persamaan pada Gambar 2 nomor 10. PI=(PE/侶D) SCF (1/侶T)+margin= PS+margin = 1,9931+0.15 = 2,1431 kW Torsi propeler Qp dihitung dengan menggunakan persamaan (9): Qp = KQwd5 np 2 Dengan KQ= 0,0748, d =0,1578, np=42, Maka Qp = KQwd5 np 2 = 0,0748. 1,025.0,1578. 42 = 0,0132 kNm D. Perhitungan parameter motor DC shunt Dalam kasus perhitungan parameter motor, maka diperlukan data utama motor DC shunt: , Pm ditentukan menggunakan Tabel 2.9. Pm = 2200 W Putaran motor nominal = 1800 rpm Tegangan terminal Vt = 24 V, mengikuti tegangan nominal dari baterai lead acid. Ditentukan efisiensi motor 侶m = 0,7. nm = rpm/60 = 1800/60 = 30 rps Diameter maksimal Dmaks dihitung menggunakan persamaan (10): Dmaks = va /( nm) Ditentukan kecepatan linier motor va = 13,25 m/s. Dmaks = 13,25/(3,1416. 30) = 0,1406 m Koefisien keluaran motor CO dihitung menggunakan persamaan: CO = 2 Bav ac Beban magnetik Bav sebagai fungsi D ditentukan menggunakan Gambar 6. Dengan Dmaks = 0,1406 m, Bav = 0,125 Beban elektrik ac sebagai fungsi D ditentukan menggunakan Gambar 7. Dengan Dmaks = 0,1406 m, ac = 30000; Maka CO = 3.14162 . 0,125. 30000 = 37011 Jumlah kutub sebagai fungsi D ditentukan menggunakan Gambar 8. Dengan Dmaks = 0,1406, jumlah kutub p = 2. Diameter jangkar dihitung menggunakan persamaan (11): Daya jangkar Pa = daya motor mekanik Pm = 2200 W. Ditentukan 甦 = 0,7. Kisar kutub dihitung menggunakan persamaan: = D / p = 3,1416. 0,1217/2 = 0,1911 m Panjang jangkar dihitung menggunakan persamaan (12): 0,7. 0,1911 = 0,1338 m Tegangan terinduksi jangkar Ea dihitung menggunakan persamaan (19): Ea = Vt-VRa Tegangan jatuh jangkar VRa dihitung menggunakan persamaan (13): VRa = persenVRaVt Persentase arus medan If dan tegangan drop jangkar VRa menggunakan gambar 9. Parpm = Pa.rpm = 3960000 persenIf = 0,19/100 dan persenVRa = 2,1/100. VRa = persenVRaVt= (2,1/100) 24 = 0,5040 V Maka tegangan induksi jangkar Ea, Ea = Vt-VRa = 24-0,5040 = 23,4960 V If dihitung menggunakan persamaan (14): If = persenIf It Dengan mengabaikan If maka arus jangkar Ia sama dengan arus terminal. Arus terminal It dihitung menggunakan persamaan (15): It = Pm/(侶m*Vt) = 2200/(0,7.24) = 130,9524 A If = (0,19/100) 130,9524 = 0,2488 A Arus jangkar Ia dihitung menggunakan persamaan (18): Ia = It-If = 130,7036 A Fluksi per kutub 陸 dihitung menggunakan persamaan (17): 陸 = Bav L = 0,125. 0,1911. 0,1338 = 0,0032 Wb Resistansi jangkar Ra: Ra=VRa/Ia =0,5040/130,7036 = 0,0039 Effisiensi motor 侶m menjadi: 侶m = Pout/Pin = (EaIa)/(VtIt) = 23,496.130,7036/24.130,9524 = 0,97714
  • 6. 6 E. Perhitungan torsi dan kecepatan motor DC shunt Konstanta jangkar Ka dihitung menggunakan persamaan (3): Dengan mengabaikan rugi poros dengan bantalan, Pa = Ea Ia = 23,4960. 130,7036 = 3071W Ta = Pa/(2 nm) = 3071/(2.3,1416.30) = 16,292 Nm Ka = Ta/(陸 Ia) = 16,292 /(0,0043.130,7036) = 38,9891 Kecepatan sudut m dihitung menggunakan persamaan (21). Peningkatan T adalah 0,1 Nm secara bertahap. Maka T berturut-urut adalah 16,392; 16,492; 16,592; dst. Pada iterasi 1, T = 16,392 Nm, maka , n, dan I adalah: =188,47 rad/s n = 60/(2) = 60.188,47/(2.3,1416) =1799,8 rpm I = T/(Ka陸) = 16,392/(38,989. 0,0032) = 131,51 A. Pada iterasi ke-2, T = 16,492 Nm, maka , n, dan I adalah: =188,45 rad/s n = 60/(2) = 60.188,45/(2.3,1416) = 1799,5 rpm I = T/(Ka陸) = 16,492/(38,989. 0,0032) = 132,31A. Pada iterasi ke-3, T = 16,592 Nm, maka , n, dan I adalah: =188,42 rad/s n = 60/(2) = 60.188,42/(2.3,1416) = 1799,3 rpm I = T/(Ka陸) = 16,592/(38,989. 0,0032) = 133,11 A. Peningkatan torsi menyebabkan peningkatan arus jangkar. Ketika I telah mencapai 125% dari Ia, maka motor harus dalam keadaan trip. Oleh karena itu, proses perhitungan berhenti saat I <= 125% Ia. Proses perhitungan berhenti pada iterasi ke-40, dengan T=20,292 Nm, maka , n, dan I adalah: =187,5 rad/s n = 60/(2) = 60.187,5/(2.3,1416) = 1790,5 rpm I =T/(Ka陸) = 20,292 /(38,989. 0,0032) = 162,79 A. Hasil dari perhitungan iterasi dapat dilihat dalam Tabel 4.1 sebagai berikut: Tabel 4.1. Hasil Perhitungan Iterasi i T(Nm) I(A) (rad/s) n(rpm) 1 16.392 131.51 188.47 1799.8 2 16.492 132.31 188.45 1799.5 3 16.592 133.11 188.42 1799.3 4 16.692 133.91 188.40 1799.1 5 16.792 134.71 188.37 1798.8 6 16.892 135.52 188.35 1798.6 7 16.992 136.32 188.32 1798.3 8 17.092 137.12 188.30 1798.1 9 17.192 137.92 188.27 1797.9 10 17.292 138.73 188.25 1797.6 11 17.392 139.53 188.22 1797.4 12 17.492 140.33 188.20 1797.2 13 17.592 141.13 188.17 1796.9 14 17.692 141.94 188.15 1796.7 15 17.792 142.74 188.12 1796.4 16 17.892 143.54 188.10 1796.2 17 17.992 144.34 188.07 1796.0 18 18.092 145.14 188.05 1795.7 19 18.192 145.95 188.02 1795.5 20 18.292 146.75 188.00 1795.3 21 18.392 147.55 187.97 1795.0 22 18.492 148.35 187.95 1794.8 23 18.592 149.16 187.92 1794.5 24 18.692 149.96 187.90 1794.3 25 18.792 150.76 187.88 1794.1 26 18.892 151.56 187.85 1793.8 27 18.992 152.36 187.83 1793.6 28 19.092 153.17 187.80 1793.4 29 19.192 153.97 187.78 1793.1 30 19.292 154.77 187.75 1792.9 31 19.392 155.57 187.73 1792.7 32 19.492 156.38 187.70 1792.4 33 19.592 157.18 187.68 1792.2 34 19.692 157.98 187.65 1791.9 35 19.792 158.78 187.63 1791.7 36 19.892 159.58 187.60 1791.5 37 19.992 160.39 187.58 1791.2 38 20.092 161.19 187.55 1791.0 39 20.192 161.99 187.53 1790.8 40 20.292 162.79 187.50 1790.5 41 20.392 163.60 187.48 1790.3 Dari tabel 4.1, dapat diperoleh karakteristik putaran sebagai fungsi dari torsi motor dc shunt seperti terlihat pada Gambar 4.1. Penambahan torsi pada motor menyebabkan putaran motor berkurang.
  • 7. 7 Gambar 4.1. Karakteristik Putaran-Torsi Motor DC Shunt F. Perhitungan kapasitas baterai It = If+Ia = 130,95 A Ditentukan k = 1,13 dan t = 1 jam. Maka kapasitas baterai C dihitung menggunakan persamaan (24): C = t It k = 246,8Ah Energi total Et dalam 1 jam adalah Vt C = 5923,1 watt Jam Energi total Et = energi baterai = E., Jika digunakan baterai dengan tegangan VO = 24 V dan kapasitas CO = 65 Ah, tegangan motor = tegangan baterai = VO, maka jumlah baterai N yang terhubung paralel, dihitung menggunakan persamaan (23): N = 3,7969 = 4 buah Setelah menentukan kapasitas beban baterai, maka besar energi yang disuplai oleh panel surya dihitung menggunakan persamaan (25): EPS = 30% EB= 0,3. 5923,1 EPS = 1776,9 Watt jam Asusmsi rugi-rugi (losses) pada sistem dianggap sebesar 15%, maka total energi sistem panel surya ET dihitung menggunakan persamaan (26): ET = EPS + 15% EPS = 1776,9+0,15. 1776,9 ET = 2043,5 Watt jam Diambil data insolasi terendah matahari adalah 3, 91 jam. Faktor penyesuaian fp pada kebanyakan instalasi panel surya adalah 1,1. Kapasitas panel surya CPS dihitung menggunakan persamaan (27): CPS = fp . (ET/insolasi matahari)= 1,1.(2043,5/3, 91) CPS = 574,89 Wp Dengan menggunakan panel surya 200Wp, jumlah panel surya yang dibutuhkan adalah: NPS= CPS/200 NPS = 2,8744 = 3 buah Berat motor Bm= 7 kg, Berat baterai BB = 4.15 = 60 kg, Berat panel surya = 3.17 = 51 kg. Kapasitas berat speedboat BS dihitung menggunakan persamaan (28): BS = - Bm - BB - BPS = 969 7- 60 51 = 851 kg Asumsi berat 1 orang =100 kg, maka jumlah penumpang Np adalah: Np = BS/100 = 851/100 = 8,51 = 8 orang IV. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Kesimpulan yang didapat dari penelitian ini adalah: 1. Kapasitas motor DC shunt yang diperlukan untuk menggerakkan speedboat: Daya nominal Pm = 2200 W Putaran nominal = 1800 rpm Tegangan Vt = 24 V Diameter D = 0,1217 m Panjang L = 0,1338 m Arus medan If = 0,2488 A Tegangan jatuh jangkar VRa = 0,5040 V Arus beban penuh Ia = 130,7036 A Resistansi jangkar Ra = 0,0039 Efisiensi motor = 0,9771 2. Pada kondisi beban penuh, putaran motor 1800 rpm, arus jangkar motor 130,7036 A dan torsi motor 16,292 Nm. Pada kondisi arus jangkar maksimal 163,3795 A, diperoleh torsi maksimal 20,292 Nm dan putaran motor menjadi 1790,5 rpm. 3. Kapasitas akumulator yang diperlukan untuk memberikan suplai daya ke motor DC shunt selama satu jam adalah 246,8 Ah. Energi baterai dalam satu jam adalah 5923,1 W jam. Sehingga membutuhkan empat buah baterai 24 V 65 Ah terhubung paralel dan tiga buah panel surya 200 Wp. B. Saran Penelitian ini masih kurang sempurna dikarenakan tidak adanya pengukuran secara langsung sehingga nilai parameter-parameter dari motor kurang akurat. Selain itu keterbatasan alat juga menjadi kendala pada penelitian ini, sehingga tidak dapat dilakukan analisis transien dari motor dc. REFERENSI [1] Chandra, H., 2010, Kajian Aplikasi Sel Surya Sebagai Sumber Tenaga Penggerak Kapal Tanpa Bbm, BPPKP Kementrian Kelautan dan Perikanan: Jakarta. [2] ECEN 4517/5517, Lecture: Lead-acid batteries. [3] Fuhs, Allen., Chapter 6: Multifaceted Complexity of Batteries. [4] Karlsen, A.T., 2012, On Modeling of a Ship Propulsion System for Control Purposes, Norwegia. [5] Man Diesel & Turbo, 2011, Basic Principles of Ship Propulsion, Denmark. [6] Molland, A. F., 2011, Ship Resistance and Propulsion, Cambridge University Press: United States of America. [7] Sawhney, A. K., 1970, Electrical Machine Design, D. R. Printing Service: Delhi. [8] Sen, P. C., 1997, Principles of Electrical Machines and Power Electronics, Lehigh Press: United States of America. [9] Vutetakis, D. G., 2001, The Avionics Handbook Ch. 10: Batteries, CRC Press: LLC.