sidangtugas akhir bidang studi : desain studi pengaruh ... · konduktivitas dan tahanan listrik;...

Studi Pengaruh Diameter Kawat dan Susunan Kumparan Terhadap Voltase

Bangkitan pada mekanisme

Pemanen Energi Getaran

SidangTugas AkhirBidang Studi : Desain

Prisca PermatasariNRP. 2105 100 066

Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng.

Dosen Pembimbing :

Disusun oleh :

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

2010

Latar Belakang Masalah

Getaran mengalami gaya eksitasi yang dapat

dikonversi ke energi listrik

Sumber alternatif baru, yakni pemanen energi

dari mesin – mesin yang mengalami getaran.

Keterbatasan sumber Energi

Kebutuhan Energi meningkat

1

Perumusan masalah

Bagaimana Pengaruh diameter Kumparan dan

susunannya ( seri atau Pararel ) terhadap

Energi Listrik Bangkitan

Bagaimana perbandingan antara data Energi

listrik yang dibangkitkan secara Aktual dengan

hasil perhitungan

2

Batasan Masalah• Dalam penulisan tugas akhir ini penulis melakukan

beberapa batasan masalah :

• Frekuensi dan amplitudo pola gerak mekanisme dianggap harmonik dengan frekuensi konstan.

• Perubahan temperatur akibat gesekan magnet dengan dinding bagian dalam tabung diabaikan.

• Gerakan osilasi magnet terhadap koil hanya kearah vertikal.

• Alat pengukuran arus listrik yang dibangkitkan menggunakan digital osciloscope dalam keadaan normal.

• Jumlah lilitan kawat kumparan sebanyak 3000 lilitan

• Variabel ukur yang digunakan dalam perbandingan perubahan arus listrik yang dibangkitkan terhadap waktu secara aktual dengan hasil perhitungan adalah ω.

• Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik dengan roda pendorong

3

Tujuan Tugas Akhir

Menentukan susunan dan diameter kawat

kumparan yang efektif untuk voltase

bangkitan dari pengujian Mekanisme

Pemanen Energi Getaran dan perhitungan

voltase bangkitan secara teori.

• Menganalisa perbandingan antara voltase

yang terukur pada pengujian Mekanisme

Pemanen Energi Getaran dengan hasil

perhitungan voltase bangkitan secara teori.

4

Manfaat Tugas Akhir

Mengetahui susunan dan Diameter kawat kumparan yang efektif pada

Mekanisme Pemanen Energi Getaran sehingga dapat menghasilkan

energi listrik bangkitan yang lebih efektif.

Hasil tugas akhir ini bisa menjadi dasar pengembangan pada

Mekanisme Pemanen Energi Getaran dengan prinsip induksi

magnet.

Mengetahui perbandingan antara voltase yang terukur

pada pengujian mekanisme pemanen energi getaran

dengan hasil perhitungan voltase bangkitan secara

teori.

5

Kajian Pustaka

0 kxxm

Teori mekanika getaran

K

m

KC

m

6

F (t)

)(tfkxxcxm

Kajian pustakaTeori Elektromagnetik

Induksi Magnet

Jika displacement (posisi) sebuah massa magnetik berubah dengan

waktu dan massa tersebut bergerak didalam suatu kumparan, pada

ujung-ujung kumparan timbul beda potensial yang menyebabkan

timbulnya arus listrik pada kumparan.

Gambar magnet melalui sebuah kumparan7

Kajian Pustaka

Teori Elektromagnetik

X(t)

magnet

kumparandt

d

dt

dNe

Hukum faraday :

dt

ABdNe

.

fABNe ...vBind

8

Kajian Pustaka

L

INB 0

Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid

Rangkaian selenoid

9

. P

l

N

Pada gambar tersebut dapat mencari besar medan magnet pada titik

P sebesar :

Konduktivitas dan tahanan listrik; Hukum Ohm

• hukum Ohm, yang menyatakan bahwa “untuk suatu

konduktor logam pada suhu konstan, perbandingan

antara perbedaan potensial ΔV antara dua titik dari

konduktor dengan arus listrik I yang melalui konduktor

tersebut adalah konstan.”

• Jadi hukum Ohm bisa dinyatakan sebagai :

Kajian Pustaka

V VR atau I

I R

10

Kajian Pustaka

Teori Elektrik

1. Rangkaian seri

Arus yang melalui satu komponen dengan komponen lainnya

adalah sama.

R1 R2 RN

NP RRRR ...21

Nilai tahanan peganti untuk hubungan seri

11

Kajian Pustaka

2. Rangkaian Paralel

Rangkaian paralel adalah dua komponen atau lebih dihubungkan secara

paralel. Tegangan antara masing-masing komponen adalah sama.

Hubungan paralel berfungsi membagi arus.

Np RRRR

1...

111

21

R1 R2 RN

Nilai tahanan peganti untuk hubungan paralel

12

• Diagram alir tugas akhir secara

general

Pemodelan Matematis Perencanaan Pengujian

Pengujian Mekanisme

Studi Literatur

Penentuan Metode Pembangkitan Energi

Pengambilan Data

AB

Perhitungan voltase bangkitan

Pembuatan Mekanisme

Start

Komparasi voltase(V) bangkitan dari pengujian dengan hasil perhitungan

secara teori

Kesimpulan

Apakah (V)exp ≈ (V)teo ?

End

AB

tidak

ya

13

Flowchart Perhitungan

Apakah N =3000 ?

i = i + 1

Start

Menentukan nilai I , L , μ0 , l, X dan CPM

E=B l v

f = CPM / 60

v = 4X x f

Ni = N1

N1 = 1000 lilitan

N2 = 1500 lilitan

N3 = 3000 lilitan

End

L

INB 0

14

Diagram Alir Percobaan :Mulai

Persiapan

peralatan

Pasang Disk

ke motor DC

Sambungkan

motor DC ke power

suply

Nyalakan

Oscilosscope

Pasang mekanisme

pembangkit daya

Sambungkan probe

Osciloscope ke

mekanisme pembangkit

daya

nomor mekanisme

pembangkit daya + 1

A

B

15

A B

Nyalakan

Power suply

7.5 volt

Ambil Data

stroboscope

Ambil Data

stroboscope sebanyak

3 kali

Matikan power suply

Mekanisme pembangkit

daya nomer 9

Matikan power suply

Selesai16

Mekanisme pembangkit daya

Rangkaian Mekanisme pembangkit Daya

PCB ( printed circuit board ) 2 x 25 mm

Pipa kepala

Pipa pembatas 25 x 1 mm

Selongsong 16 x 90 mm

Kawat kumparan

17

Rangkaian kumparan pada mekanisme pembangkit daya

Susunan 1 Susunan 2 Susunan 3

18

Berikut adalah jumlah lilitan pada setiap susunan

3000 lilitan

1500 lilitan

1500 lilitan1000 lilitan

1000 lilitan

1000 lilitan

Susunan 1 Susunan 2 Susunan 3

19

Mekanisme pembangkit daya

Mekanisme pembangkit daya

Tongkat pendorong

BearingDisc

Motor DC

Penyearah tongkat pendorong

20

susunan 1 susunan 2 susunan 3

D 0.10

D 0.12

D 0.14

Berikut adalah variasi yang akan dibandingkan :

21

ANALISA DATA

y y² ∑ y² avarage rms

0 7,6 57,76 67096,24 67,09624 8,191229

0,004 7,4 54,76

0,008 7,2 51,84

............ ...... ........

............ ...... ........

Berikut adalah cara pengolahan data yang didapat dari digital osciloscope :

2250

2

yrms

22

4.1.2.1 Grafik pengaruh variasi susunan kumparan

terhadap voltase yang dibangkitkan untuk diameter

0.10

grafik D 0.1

0

2

4

6

8

10

12

0

0.3

0.6

1

0.9

1

1.2

2

1.5

2

1.8

2

2.1

3

2.4

3

2.7

4

3.0

4

3.3

4

3.6

5

3.9

5

time (s)

vo

ltase (

Vo

lt)

susunan 1

susunan 2

susunan 3

ANALISA DATA

D 0.10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

susunan 1 susunan 2 susunan 3

Susunan

Vo

ltase (

mm

)

D 0.10

23

Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap

voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.12

ANALISA DATA

D 0.12

0

1

2

3

4

5

6

7

susunan 1 susunan 2 susunan 3

Susunan

Vo

ltase (

Vo

lt )

D 0.12

0

2

4

6

8

10

12

0

0,3

04

0,6

08

0,9

12

1,2

16

1,5

2

1,8

24

2,1

28

2,4

32

2,7

36

3,0

4

3,3

44

3,6

48

3,9

52

Vo

lta

se

(V

olt

)

time (s)

Grafik D 0.12

susunan 1

susunan 2

susunan 3

24

Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap

voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.14

ANALISA DATA

D 0.14

0

1

2

3

4

5

6

susunan 1 susunan 2 susunan 3

Susunan

Vo

ltase (

Vo

lt )

D 0.14

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0,2

96

0,5

92

0,8

88

1,1

84

1,4

8

1,7

76

2,0

72

2,3

68

2,6

64

2,9

6

3,2

56

3,5

52

3,8

48

Vo

lta

se

(V

olt

)

time (s)

Grafik D 0.14

susunan 1

susunan 2

susunan 3

25

Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap

voltase yang dibangkitkan untuk susunan 1

ANALISA DATA

susunan 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

D 0.10 D 0.12 D 0.14

Diameter ( mm )

Vo

ltase (

Vo

lt )

susunan 1

0

2

4

6

8

10

12

0

0,2

84

0,5

68

0,8

52

1,1

36

1,4

2

1,7

04

1,9

88

2,2

72

2,5

56

2,8

4

3,1

24

3,4

08

3,6

92

3,9

76

Vo

lta

se

(V

olt

)

time (s)

grafik susunan 1

D 0.10

D 0.12

D 0.14

26

Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap

voltase yang dibangkitkan untuk susunan 2

ANALISA DATA

susunan 2

0

1

2

3

4

5

6

7

D 0.10 D 0.12 D 0.14

Diameter ( mm )

Vo

ltase (

Vo

lt )

susunan 2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0,2

76

0,5

52

0,8

28

1,1

04

1,3

8

1,6

56

1,9

32

2,2

08

2,4

84

2,7

6

3,0

36

3,3

12

3,5

88

3,8

64

Vo

lta

se

(vo

lt)

time (s)

grafik susunan 2

D 0.10

D 0.12

D 0.14

27

Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap

voltase yang dibangkitkan untuk susunan 3

Grafik susunan 3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0

0.2

8

0.5

7

0.8

5

1.1

4

1.4

2

1.7

1.9

9

2.2

7

2.5

6

2.8

4

3.1

2

3.4

1

3.6

9

3.9

8

time (s)

Vo

ltase (

vo

lt)

D 0.10

D 0.12

D 0.14

ANALISA DATA

susunan 3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

D 0.10 D 0.12 D 0.14

Diameter ( mm )

Vo

ltase (

Vo

lt )

susunan 3

28

Berikut adalah komparasi voltase bangkitan pada mekanisme pemanen energi

getaran dalam variasi diameter kawat kumparan dan susunannya.

Voltase

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

susunan 1 susunan 2 susunan 3

Susunan

Vo

ltase (

Vo

lt )

D 0.10

D 0.12

D 0.14

susunan 1 susunan 2 susunan 3

D 0.10 8.06 6.05 2.01

D 0.12 6.55 5.26 1.24

D 0.14 5.11 4.44 0.046

ANALISA DATA

29

Perhitungan Teoritis

• Dari putaran motor dalam pengujian didapatkan nilai

CPM sebesar 885 rad/min dengan menggunakan

stroboscope. Dari data ini kita bisa mencari kelajuan

magnet dengan persamaan :

Xfv 2

Dimana :

X = 10mm ,dan

f = CPM/60

= 14,75

Sehingga :

v = 14,75/s x 40 mm

= 0,59 m/s

Contoh perhitungan kelajuan magnet

ANALISA DATA

30

Perhitungan TeoritisContoh perhitungan nilai kuat medan magnet

Misalkan untuk mekanisme pembangkit daya dengan

diameter kumparan 0.10 mm pada susunan 1, yakni jumlah

lilitan adalah 3000

Diketahui :

L = 14 mm

N = 3000 lilitan

I = 3.4 Ampere

μ0 = 12,56 x 10-7 Wb/A.m

dari persamaan selenoida dapat kita ketahui nilai kuat medan

magnet sebagai berikut :

L

INB 0

B = 12,56x10-7 Wb/A.m 3.4 A 3000 / 0.014 m = 0.915 wb/m²

ANALISA DATA

31

Contoh perhitungan voltase bangkitan

Untuk menghitung voltase bangkitan digunakan persamaan

dari hukum faraday yang dapat dinyatakan sebagai :

LBind

ε ind = 0,915 Wb/m² 150.72 m 0,59/s

ε ind = 81.37 Volt

ANALISA DATA

susunan 1

B ℓ V E

D (0.10) 0,915085714 150,72 0,59 81,37381

D (0.12) 0,880097143 150,72 0,59 78,26246

D (0.14) 0,850491429 150,72 0,59 75,62978

susunan 2

B ℓ V E E total

D (0.10) 0,081012 75,36 0,59 3,601988 7,203976

D (0.12) 0,069977143 75,36 0,59 3,111352 6,222703

D (0.14) 0,064594286 75,36 0,59 2,872017 5,744034

susunan 3

B ℓ V E E total

D (0.10) 0,053828571 50,24 0,59 1,595565 4,786695

D (0.12) 0,043062857 50,24 0,59 1,276452 3,829356

D (0.14) 0,02512 50,24 0,59 0,744597 2,23379132

Perhitungan Teoritis

susunan 1 susunan 2 susunan 3

D 0.10 81,37 7,203975898 4,786694949

D 0.12 78,26 6,222703433 3,829355959

D 0.14 75,62 5,744033938 2,233790976

ANALISA DATA

33

Diameter kawat

kumparansusunan

Pengujian Teori

voltase

(volt)Voltase

0.10 mm

1 8.06 81.37

2 6.55 7.20

3 5.11 4.78

0.12 mm

1 6.05 78.26

2 5.27 6.22

3 4.44 3.82

0.14 mm

1 2.01 75.62

2 1.25 5.74

3 0.047 2.23

ANALISA DATA

Berikut adalah perbandingan voltase bangkitan pada

mekanisme pemanen energi getaran dalam pengujian dan

perhitungan teoritisnya

33

Kesimpulan

1. Secara teori dan pengujian susunan kumparan yang memiliki

daya terbesar adalah pada susunan 1. Hal ini disebabkan

karena jumlah lilitan pada susunan satu tidak terbagi ( seri ).

Sehingga sesuai dengan perumusan kuat medan magnet dan

hukum faraday yakni, semakin banyak jumlah lilitan., maka

semakin besar pula voltase bangkitan yang dihasilkan.

2. Dalam percobaan bahwa semakin besar diameter kawat

kumparan maka akan semakin rendah daya listrik yang

dibangkitkan pada mekanisme. Dalam hal ini adalah pada

diameter kumparan sebesar 0.01 mm

3. Pada susunan 1, memiliki pola range yang terbesar.

Dibandingkan dengan pola range pada susunan 2 dan

susunan 3.

4. Voltase bangkitan yang didapat pada perhitungan memiliki

nilai yang lebih besar dibandingkan dengan voltase

bangkitan yang didapat pada pengujian, hal ini diakibatkan

karena pada pengujian terdapat kerugian – kerugian yang

diakibatkan oleh hambatan pada kumparan dan induktornya.

34

Kesimpulan

Saran yang diberikan pada tugas akhir ini, demi

tersempurnanya penelitian selanjutnya, diantaranya :

1. Pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat

mengetahui besarnya arus listrik dari mekanisme yang

sama dengan menggunakan alat ukur yang lebih teliti

dibandingkan dengan multimeter.

2. Pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat

mengetahui lebih lanjut tentang susunan dan ukuran

diameter kawat kumparan pada mekanisme yang lebih

efisien untuk mendapatkan daya listrik yang lebih besar.

35

Mohon maaf apabila ada kesalahan

TERIMA KASIH

36

susunan 1

μ i N ℓ B

D (0.10) 0,000001256 3,4 3000 0,014 0,915086

D (0.12) 0,000001256 3,27 3000 0,014 0,880097

D (0.14) 0,000001256 3,16 3000 0,014 0,850491

susunan 2

μ i N ℓ B B total

D (0.10) 0,000001256 3,01 1500 0,07 0,081012 0,162024

D (0.12) 0,000001256 2,6 1500 0,07 0,069977 0,139954

D (0.14) 0,000001256 2,4 1500 0,07 0,064594 0,129189

susunan 3

μ i N ℓ B B

D (0.10) 0,000001256 1,5 1000 0,035 0,053829 0,107657

D (0.12) 0,000001256 1,2 1000 0,035 0,043063 0,086126

D (0.14) 0,000001256 0,7 1000 0,035 0,02512 0,05024

B.1 Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada

diameter 0.10

Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada

diameter 0.10

Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada

diameter 0.10

Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada

diameter 0.12

Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada

diameter 0.12

Range Voltase pada oscilloscope susunan 3

pada diameter 0.12

Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada

diameter 0.14

Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada

diameter 0.14

Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada

diameter 0.14

Kajian Pustaka

L

INB 0

β₁≈∏ dan β₂≈0, maka akan menghasilkan

)sin(2

0

dL

INdB

Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid

Rangkaian selenoid

Dapat diintegralkan menjadi

9